宏观核自旋系综弛豫性质的控制

固体中的宏观自旋系综是量子传感和精密计量的强大平台。一个关键挑战是控制核自旋布居弛豫时间 $T_1$，在低温下由于声子冻结，该时间可能变得极其漫长。我们演示了对含铅铁电晶体 PbTiO$_3$ (PT) 和 (PbMg$_{1/3}$Nb$_{2/3}$O$_3$)$_{2/3}$-(PbTiO$_3$)$_{1/3}$ (PMN-PT) 中 $^{207}$Pb 核自旋系综 $T_1$ 弛豫时间的光学控制。使用 10 K 下的 X 波段电子顺磁共振 (EPR) 波谱，我们表征了由 405 nm 激光照射产生的光致顺磁中心。在 PT 中，我们观察到了顺磁 Pb$^{3+}$ 中心及其与附近核自旋的超精细相互作用。在 PMN-PT 中，我们识别出两类布居：各向同性 Pb$^{3+}$ 中心和占据 $d$ 轨道的各向异性 Ti$^{3+}$ 中心，其自旋数密度分别为 $(2.5 \pm 1.0) \times 10^{17}$ cm$^{-3}$ 和 $(4.1 \pm 1.7) \times 10^{17}$ cm$^{-3}$。功率依赖的 EPR 测量能够提取自旋弛豫时间。我们研究了这些瞬态顺磁中心的电离和复合动力学。使用饱和恢复核磁共振，我们证明激光照射将 $^{207}$Pb 核 $T_1$ 降低了约一半，在 4.6 MHz 下从 $(17 \pm 2)$ s 降至 $(7 \pm 1)$ s，在 40 MHz 下从 $(1550 \pm 40)$ s 降至 $(850 \pm 70)$ s。我们建立了一个将核弛豫率与光致顺磁中心密度相关联的模型。这种对核自旋弛豫的光学控制为实现基于固态 NMR 的精密测量（包括对类轴子暗物质的搜索）中加速热极化和动态核极化提供了一条途径。