不应被解释为对可以要求保护的范围的 限制，而是作为特定示例所特有的特征的说明。在本说明书中的分开的实现的上下文中所 说明的某些特征也可以进行组合。与此相对，在单个实现的上下文中所说明的各种特征也 可以在多个实施例中分开实现或者以任何合适的子组合的形式实现。
[0233] 已经说明了具有若干独立的总体概念的示例实现。在以上所述的一个总体方面， 向静磁场中的系综施加驱动场。该驱动场适用于将自旋系综的自旋状态与腔的一个或多个 腔模式耦合。利用自旋状态和腔模式之间的耦合来提高自旋系综的极化。
[0234] 在上述的另一总体方面，腔与样本中的自旋系综耦合。样本可以保持在热温度并 且处于静磁场中，并且（例如，通过施加驱动场来）生成腔和自旋系综之间的相互作用。该 相互作用比影响样本的内部极化过程更快地提高自旋系综的极化。
[0235] 在上述的另一总体方面，热阻隔件在样本和腔之间进行热绝缘。腔处于第一温度， 并且样本处于不同的第二温度。样本包含静磁场中的自旋系综。腔和自旋系综之间生成相 互作用。该相互作用提高自旋系综的极化。
[0236] 在上述的另一总体方面，磁共振成像（MRI)系统包括用于在静磁场中与样本中的 自旋系综相互作用的腔。样本是成像对象。MRI系统包括用于生成腔和自旋系综之间的相 互作用的共振器，其中该相互作用提高自旋系综的极化。MRI系统可以从成像对象中的极化 自旋系综中获取磁共振信号，并且可以基于磁共振信号来生成成像对象的图像。在一些情 况下，保持摄像对象处于室温，例如296开尔文、300开尔文、或者290~310开尔文之间的 其它适当温度。
[0237] 在上述总体方面的一些实现中，利用热耦合至腔的冷却系统来调节腔的温度，并 且利用样本温度控制系统来调节样本的温度。可以将腔维持在冷冻温度并且将样本维持在 液态。可以维持腔低于100开尔文，并且可以维持样本高于273开尔文（例如，室温或其它 温度）。在一些情况下，热阻隔件抑制样本和腔之间的热相互作用。
[0238] 在上述总体概念的一些实现中，通过经由自旋状态和腔模式之间的耦合而独立作 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，来提高自旋系综的极化。在一些示例中可以反复应用这些操作。例如可以通过偶 极子相互作用、横向（T2)弛豫过程、施加梯度场或者这些和其它处理的组合来混合角动量 子空间。
[0239] 在上述总体概念的一些实现中，腔具有低模体积和高品质因数。模体积、品质因 数或者这些和其它腔参数的组合可以被设计为在自旋系综和腔之间产生使自旋系综极化 过程有效"短路"的耦合。在一些示例中，腔具有使
的模体积V和品质因数 Q。这里，队表示自旋系综中的自旋数量，k= (ω。/〇)表示腔的耗散速率，ω。表示腔的共 振频率，并且g表示腔对自旋系综中的个体自旋的耦合强度。在一些示例中，耗散速率k比
大两倍以上。在一些实现中，
1个数量级。在一些实现中，耗散
大2~3个数量级。在一些实现中，自旋系综和腔之间的耦合比热自旋-晶 格0\)弛豫过程更快地提高自旋系综的极化。
[0240] 在上述总体概念的一些实现中，自旋系综具有自旋共振频率（〇s)，并且利用以自 旋共振频率（cos)发生共振的共振器来生成驱动场。驱动场可以是时间变化（例如，振荡 或时间变化）的磁场。在一些情况下，自旋系综是核自旋系综，并且驱动场是射频场。在一 些情况下，自旋系综是电子自旋系综，并且驱动场是微波频率场。
[0241] 在上述总体概念的一些实现中，腔模式与腔共振频率（ω。）相对应，并且腔共振频 率（ω。）相对于自旋共振频率（cos)失谐δω=cos-co。的量。驱动场可以具有以拉比频 率（Ωκ)来生成拉比振荡的驱动场强度。在一些情况下，失谐δω大致等于Ωκ。例如，差 Δ=δω-Ωκ与失谐δω相比可能较小。在一些示例中，差Δ小于失谐δω的一半。在 一些示例中，差Λ比失谐δω小1个数量级。在一些示例中，差Δ比失谐δω小2或3 个数量级。
[0242]在上述总体概念的一些实现中，腔和自旋系综之间的相互作用以与腔的参数相关 的极化速率来提高自旋系综的极化。在一些示例中，极化率可以由于诸如品质因数的值、模 体积的值、耗散速率的值或其它属性等的腔的电磁属性而更高或更低。
[0243] 在上述总体概念的一些实现中，利用主磁系统向自旋系综施加静磁场，并且静磁 场在整个自旋系综中是大致均匀的。驱动场的取向可以与静磁场垂直。例如，静磁场可以 沿z轴取向，并且驱动场可以在（与z轴垂直的）xy平面中取向。
[0244] 在上述总体概念的一些实现中，驱动场由共振器生成。在一些情况下，共振器和腔 形成为共通结构或子系统。例如，共振器和腔可以集成在共通的多模共振器结构中。在一 些情况下，共振器和腔形成为两个以上的单独结构。例如，共振器可以是具有第一共振频率 的线圈结构，并且腔可以是具有不同的第二共振频率的不同的腔结构。共振器、腔或两者可 以包括超导材料和其它材料。
[0245] 在上述总体概念的一些实现中，自旋系综和腔之间的耦合改变自旋系综的状态。 例如，親合可以将自旋系综从初始（混合）状态映射至相比初始状态具有更尚极化的后续 状态。后续状态可以是混合态或纯态。在一些情况下，后续状态具有与腔的纯度相等的纯 度。在一些示例中，耦合可以使自旋系综从自旋系综的初始状态演变为热平衡状态，或演变 为具有比热平衡状态更高的极化的其它状态。热平衡状态通常至少部分地由样本环境（包 括样本温度和静磁场强度）来定义。在一些示例中，耦合可以使自旋系综从初始状态演变 为与热平衡极化相比具有更低、相等或更高的极化的后续状态。
[0246] 在上述总体概念的一些实现中，驱动场适用于使自旋系综的狄克子空间与腔模式 耦合。在自旋系综的一些表示方法中，可以将狄克子空间定义为最大角动量子空间，以使得 狄克子空间包括自旋系综的所有完全对称状态。在一些表示中，狄克子空间与总角动量为J =Ns/2的系统相对应，其中Ns是自旋系综中的自旋数量。在一些情况下，使自旋系综的狄 克子空间和多个其它角动量子空间与腔模式耦合。在一些情况下，使自旋系综的所有角动 量子空间与腔模式耦合。
[0247] 在上述总体概念的一些实现中，腔和自旋系综之间的相互作用使得自旋系综经由 腔模式向热环境耗散光子。该相互作用可以包括腔和自旋系综之间的相干辐射相互作用。 在一些情况下，相干辐射相互作用可以比影响自旋系综的任何非相干热过程（例如，热自 旋-晶格弛豫、自发辐射等）更快地提高自旋系综的极化。在一些情况下，该相互作用驱动 自旋系综以使得自旋系综由于单个偶极矩而整体地与腔相互作用。
[0248] 已经说明了多个实施例。然而，应当理解，可以进行各种修改。因此，其它实施例 也在所附权利要求书的范围内。
【主权项】
1. 一种磁共振方法，包括： 在样本和腔之间进行热绝缘，其中所述腔处于第一温度，所述样本处于不同的第二温 度并且包括静磁场中的自旋系综；以及 生成所述腔和所述自旋系综之间的相互作用，其中所述相互作用提高所述自旋系综的 极化。2. 根据权利要求1所述的磁共振方法，其中，还包括： 通过热耦合至所述腔的冷却系统的工作来调节所述腔的温度；以及 通过样本温度控制系统来调节所述样本的温度。3. 根据权利要求2所述的磁共振方法，其中， 调节所述腔的温度的步骤包括维持所述腔处于冷冻温度，以及 调节所述样本的温度的步骤包括维持所述样本处于液态。4. 根据权利要求2所述的磁共振方法，其中， 调节所述腔的温度的步骤包括维持所述腔处于低于100开尔文的温度，以及 调节所述样本的温度的步骤包括维持所述样本处于高于273开尔文的温度。5. 根据权利要求1所述的磁共振方法，其中，所述热绝缘包括通过热阻隔件抑制所述 样本和所述腔之间的热相互作用。6. 根据权利要求1所述的磁共振方法，其中，还包括通过反复进行以下操作来提高所 述自旋系综的极化： 通过所述自旋系综和所述腔之间的相互作用来作用在所述自旋系综的角动量子空间 上；以及 对所述角动量子空间进行混合。7. 根据权利要求6所述的磁共振方法，其中，通过偶极相互作用、横向（T2)弛豫过程和 梯度场的施加中的至少一个来对所述角动量子空间进行混合。8. 根据权利要求1所述的磁共振方法，其中，所述腔和所述自旋系综之间的相互作用 对所述自旋系综进行冷却。9. 根据权利要求1所述的磁共振方法，其中，所述腔和所述自旋系综之间的相互作用 对所述自旋系综进行加热。10. 根据权利要求1所述的磁共振方法，其中， 生成所述相互作用的步骤包括向所述自旋系综施加驱动场，其中所述驱动场用于将所 述自旋系综的自旋状态与所述腔的腔模式进行耦合，以及 将所述驱动场调谐至所述自旋系综的自旋共振频率（ωs)，所述腔模式与腔共振频率 (ω。）相对应，并且所述腔共振频率（ω。）相对于所述自旋共振频率（cos)失谐了δω= ω,-ω。的量。11. 根据权利要求1~10中任一项所述的磁共振方法，其中，所述相互作用使得所述自 旋系综的极化比在所述静磁场中处于所述第二温度的所述自旋系综的热平衡极化更高。12. 根据权利要求1所述的磁共振方法，其中，还包括：在提高所述自旋系综的极化之 后，操纵所述自旋系综以获得所述样本的磁共振成像数据。13. 根据权利要求1所述的磁共振方法，其中，还包括：在提高所述自旋系综的极化之 后，操纵所述自旋系综以获得磁共振波谱数据。14. 一种磁共振系统，包括： 腔，用于在静磁场内与样本中的自旋系综相互作用； 热阻隔件，用于在所述腔和所述样本之间进行热绝缘；以及 共振器，用于生成所述腔和所述自旋系综之间的相互作用，其中所述相互作用提高所 述自旋系综的极化。15. 根据权利要求14所述的磁共振系统，其中，还包括腔和共振器系统，所述腔和共振 器系统用于执行根据权利要求1~13中任一项所述的磁共振方法。16. 根据权利要求15所述的磁共振系统，其中，所述热阻隔件用于在所述腔和共振器 系统与所述样本之间进行热绝缘。17. 根据权利要求15所述的磁共振系统，其中，所述共振器和所述腔是不同的结构。18. 根据权利要求15所述的磁共振系统，其中，还包括具有所述共振器和所述腔的集 成型多模共振器结构。19. 根据权利要求14所述的磁共振系统，其中，还包括： 冷却系统，用于调节所述腔的温度；以及 样本温度控制系统，用于调节所述样本的温度。20. 根据权利要求19所述的磁共振系统，其中，所述样本温度控制系统包括所述热阻 隔件。21. 根据权利要求19所述的磁共振系统，其中，所述冷却系统包括所述热阻隔件。
【专利摘要】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。共振器向静磁场中的样本中的自旋系综施加驱动场。该驱动场使自旋系综与腔耦合，并且该耦合提高自旋系综的极化。在一些情况下，例如将样本与腔进行热绝缘以将样本维持在比腔高的温度。在一些情况下，自旋系综实现比热平衡极化高的极化。
【IPC分类】G01R33/30
【公开号】CN105408759
【申请号】CN201480038188
【发明人】古鲁姆·泰克勒马林, D·G·克里
【申请人】量子谷投资基金有限合伙公司
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2014年1月31日
【公告号】CA2910540A1, CA2910542A1, CA2910545A1, CA2910547A1, CN105358998A, CN105358999A, CN105359000A, EP2992345A1, EP2992346A1, EP2992347A1, EP2992348A1, US20160061915, US20160069966, US20160077177, US20160109540, WO2014176662A1, WO2014176663A1, WO2014176664A1, WO2014176665A1