Refroidissement radiatif d'un ensemble de spins

Radiative cooling of a spin ensemble

• Auteur / Autrice : Bartolo Albanese
• Direction : Patrice Bertet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/06/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Yann Michel Niquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yiwen Chu, Stephen A. Lyon, Gunnar Jeschke, Marco Affronte, Nicolas Sangouard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yiwen Chu, Stephen A. Lyon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Purcell, Edward Mills (1912-1997)

Électrons -- Polarisation

Spin

Électrodynamique quantique en cavité

Résonance magnétique

Résonance paramagnétique électronique

Mots clés libres

Résonance magnétique

Résonance paramagnétique électrique

Hyperpolarisation

Circuits supraconducteurs

Donneurs de bismuth

Micro-ondes

Magnetic resonance

Electron spin resonance

Hyperpolarization

Superconducting circuits

Bismuth donors

Microwave measurements

Résumé

Les spins dans le solides interagissent faiblement avec leur environnement électromagnétique et atteignent presque toujours l’équilibre thermique en échangeant de l’énergie avec le réseau cristallin dans lequel ils sont insérés. Cependant, comme prédit par Purcell, des expériences récentes ont démontré que l’émission radiative peut devenir le canal de relaxation d’énergie le plus rapide pour les spins d’électron si l’échantillon est inséré dans une cavité micro-onde résonante avec petit volume de mode et de faible taux de perte. Dans ce régime, les spins devraient se thermaliser à la température des photons présents dans le mode de la cavité, indépendamment de la température de l’échantillon. Cette thèse présente la démonstration de cette idée, en montrant que les spins peuvent être refroidis en manière radiatif au-dessous de la température de l’échantillon en couplant la cavité à une source de rayonnement thermique froid. L’expérience est réalisée avec un ensemble de spins électroniques réalisés par des donneurs de bismuth dans le silicium, couplés à un résonateur supraconducteur de taille micrométrique. La température de spin est déduite en mesurant la polarisation de spin avec des techniques de résonance paramagnétique électrique pulsés. Une augmentation de polarisation par un facteur supérieur à 2 est observée lorsque le résonateur est connectée à une résistance froide, prouvant que les spins sont refroidis radiativement par rapport au cristal de silicium qui les héberge. La technique démontrée représente une méthode nouvelle et universelle pour améliorer la polarisation de spin au-delà de l’équilibre thermique, avec des applications potentielles en résonance magnétique.

Spins in solids interact only weakly with their electromagnetic environment and in usual situations they reach thermal equilibrium by exchanging energy with their host lattice. However, recent experiments have demonstrated that radiative emission can become the fastest energy relaxation channel for the electron spins if the sample is inserted in a resonant microwave cavity of small mode volume and low loss rate, as predicted by Purcell. In this regime spins are then expected to thermalize to the cavity mode regardless of the lattice temperature. This thesis presents the demonstration of this idea, by showing that spins can be radiatively cooled below the sample temperature by coupling the cavity to a cold thermal radiation source. The experiment is realized with an ensemble of electron spins consisting in bismuth donors in silicon coupled to a micron-size superconducting resonator and the spin temperature is inferred by measuring the spin polarization with pulsed electron spin resonance techniques. A more than twofold increase of polarization is observed when the resonator input is connected to a cold resistive load, proving that spins are radiatively cooled with respect to their host lattice. The demonstrated technique represents a new and universal method to enhance electron spin polarization beyond thermal equilibrium, with potential applications in electron spin resonance spectroscopy.