Контролиране на релаксацията на спина с кухина
Приложенията на този резултат се намират в електронния парамагнитен резонанс (EPR) и квантовата информация. В RPE контролът на спиновата релаксация от кухината трябва да реши проблема с прекалено дългите времена на релаксация при ниска температура и също така да проправи пътя за нови протоколи за динамична ядрена поляризация на спина. В квантовата информация тези резултати представляват важна стъпка към кохерентното свързване на спин с микровълнови фотони, което в дългосрочен план може да доведе до развитието на бъдещ квантов процесор, базиран на отделни завъртания.
Спинната релаксация е процес, при който спинът достига топлинно равновесие чрез обмен на квант енергия ħωS със заобикалящата го среда (ωS е неговата резонансна честота), например под формата на фотон или фонон (виж фигурата по-долу). Разбирането и контролът на спиновата релаксация е от решаващо значение в области като спинтроника, квантова информация и магнитно-резонансна спектроскопия, както и изображения. За тези приложения времето на релаксация на спина Т1 трябва да бъде достатъчно дълго, за да позволи кохерентната манипулация на центрофугирането; ако обаче T1 е твърде дълъг, той се превръща в основна пречка, ограничаваща честотата на повторение на експеримента, което пряко влияе върху максималната чувствителност, която може да бъде постигната. Някои видове завъртания могат да бъдат отпуснати в основно състояние чрез оптични или електрически методи благодарение на специфичния си модел на нивото; обаче, ефикасен и общ метод за инициализация на спина при поискване днес не е наличен.
На пръв поглед спонтанното излъчване не е обещаващ кандидат за тази задача: например радиационното обръщане на електронен спин в свободно пространство, при типична честота ωS/2π = 8 GHz, се случва спонтанно на всеки 30 000 години. В историческа статия носителят на Нобелова награда Е. Пърсел предложи начин за драстично засилване на спонтанните емисии: разглеждане на система от 2 нива, вмъкната в микровълнова кухина с качествен фактор Q и честота ω0 (виж фигурата), ако степента на затихване на кухина κ = ω0/Q е по-голяма от g константата на свързване между спина и полето в кухината, скоростта на спонтанно излъчване на фотони през кухината Γp се дава от формулата на Пърсел, която предсказва, че Γp = κg 2/(δ 2 + κ 2/4), δ = ωS-ω0 е несъответствието между резонансната честота на прехода и тази на кухината.
Вляво и в центъра: микровълновата кухина е много висококачествен свръхпроводящ микрорезонатор, състоящ се от кондензатор С паралелно с индуктор L с ширина 5 микрона. Този резонатор е индуктивно свързан към набора от завъртания, носени от бисмутови атоми, имплантирани в силициев субстрат. Вдясно: тази верига се поставя в меден държач за проби в сърцето на хладилника за разреждане, като целият се охлажда до температура 10 mK.
Тази скорост на спонтанно излъчване през кухината може да бъде много по-голяма, отколкото в свободното пространство, и е максимална при резонанс (δ = 0), в който случай Γp = 4g 2/κ. Поразителен подпис на ефекта на Пърсел е, че Γp силно зависи от несъгласието δ, което позволява релаксацията да се контролира при поискване. Ефектът на Пърсел е наблюдаван при реални и създадени от човека атоми като квантови точки и е в основата на най-модерните източници на единични фотони. Въпреки че е активно изследван, досега никога не е бил наблюдаван за електронни спинови преходи в микровълновия домейн.,