[发明专利]有效自旋极化

说明书

在一些方面，可以使用基于腔的技术来提高自旋系综的极化。将腔与自旋系综进行耦合，并且驱动场生成腔和自旋系综之间的相互作用。在一些情况下，该相互作用比影响自旋系综的热(T₁)弛豫过程或任何其它热极化过程更快地提高自旋系综的极化。在一些情况下，通过反复进行以下步骤来提高极化：作用在自旋系综的角动量子空间上，并且(例如通过偶极相互作用、横向(T₂)弛豫过程、施加梯度场或这些和其它处理的组合来)对角动量子空间进行混合。

优先权要求

本申请要求2013年5月3日提交的美国临时专利申请61/819,103的优先权， 其全部内容通过引用包含于此。

背景技术

本发明涉及使用腔来提高磁共振应用中的自旋极化(spin polarization)。

在磁共振系统中，信噪比(SNR)一般依赖于自旋极化和与环境达到热平 衡所需的时间。达到热平衡所需的时间(以能量弛豫时间(energy relaxation time)T₁为特征)通常例如在低温下变长。用于从量子系统去除熵(entropy)的 传统技术包括动态核极化(dynamic nuclear polarization，DNP)、算法冷却 (algorithmic cooling)、光泵浦(optical pumping)、激光冷却和微波冷却等等。

已经使用了各种方式来提高磁共振应用中的信噪比(SNR)。例如，通常 使用经过多次获取的信号平均来提高SNR。另一方式例如是通过将多个感应 线圈重叠并且使用相控阵列技术来提高感应探测器的灵敏度。在一些系统中， 将感应探测器嵌入在冷冻剂中来降低感应探测器内的固有噪声。

发明内容

在一些方面，将腔与自旋系综进行耦合，并且共振器生成用以在腔和自 旋系综之间产生相互作用的驱动场。在一些情况下，该相互作用比影响自旋 系综的热(T₁)弛豫过程或任何其它热极化过程更快地提高自旋系综的极化。

在一些实现中，腔相对于自旋系综的自旋共振频率失谐，并且与驱动场 相关联的拉比频率(Rabi frequency)与腔失谐相匹配。在一些情况下，通过反 复进行例如以下处理来提高自旋系综的极化：独立地作用在自旋系综的各个 角动量子空间上的基于腔的冷却；以及对角动量子空间进行混合的混合处理。

在一些实现中，基于腔的冷却可以根据需要使用并且比热极化提供得更 快。在一些情况下，提高自旋系综的极化可以得到改善的SNR或其它优势。

将在以下附图和说明书中说明一个或多个实现的细节。根据说明书和附 图、以及根据权利要求书，其它特征、目的和优势将是明显的。

附图说明

图1A是示例磁共振系统的示意图。

图1B是示例控制系统的示意图。

图1C是用于提高自旋系综的极化的示例技术的流程图。

图2是示出示例磁共振系统中的自旋共振频率、腔共振频率和拉比频率 的图。

图3示出针对耦合至两级腔的自旋的两个示例能级图。

图4是示出针对示例腔冷却自旋系综的狄克(Dicke)子空间的归一化期望 值-J_x(t)/J的模拟演变的图。

图5是耦合至两级腔的示例自旋系统的能级图。

图6是示例3-自旋希尔伯特(Hilbert)空间的图。

图7是示出针对示例自旋系综所计算出的有效冷却时间的图。

图8A是示出示例的基于腔的冷却过程中的熵流的示意图。