在极低地磁场条件下核自旋链的仲氢冷却

溶液态分子核自旋网络因其标量耦合哈密顿量具有化学可编程性、可精确测量性且在室温下保持相干性,而成为前景广阔的量子模拟器。它们在量子信息科学中的主要局限性在于初始化:热玻尔兹曼极化会产生高度混合、高熵的状态。在此,该团队利用亚地磁场(即低于地磁场的磁场)中基于仲氢的可逆交换信号放大(SABRE)技术,对化学工程设计的12自旋链[U-13C,15N]-丁腈进行超极化。SABRE产生了百分比水平的13C和15N极化,并在整个网络中制备了非平衡的多自旋有序态。对这类超极化系统进行的冯·诺依曼熵分析表明,在最佳转移磁场0.52 μT下,完整自旋系统的熵可达S/k = 8.274,而未极化参考态的熵为S/k = 8.318,因此熵差(S-Sth)/k = -0.043。实验上,15N和13C子系统的核自旋温度分别达到52 mK和257 mK。完整网络的熵亏损大于单个子系统的熵亏损,表明存在超越单自旋极化的关联多自旋有序态。快速场循环至9.4 T可实现位点分辨的核磁共振读出,而精确测定的耦合网络为测试量子模拟、量子控制和哈密顿学习协议提供了经实验验证的哈密顿量基准。
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提交arXiv: 2026-06-08 15:40

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