En RPE (ou RMN), les spins électroniques (ou nucléaires) sont alignés (ou polarisés) à l'aide d'un champ magnétique externe puis excités par une impulsion de champ électromagnétique micro-ondes (ou radiofréquence pour les spins nucléaires). Leur relaxation génère un signal portant les informations recherchées. Du fait de la faible polarisation, celui-ci est noyé dans un « bruit » important.
Pour augmenter le signal utile, on peut renforcer la polarisation en augmentant l'intensité du champ magnétique ou abaisser la température de l'échantillon. Mieux encore, il est possible de refroidir les spins seuls, qui sont alors dits « hyperpolarisés ». Ainsi la méthode dite de « polarisation nucléaire dynamique » consiste-t-elle à refroidir les spins nucléaires par couplage à un ensemble de spins électroniques, plus aisément polarisables. Rien de tel en revanche pour les spins électroniques – sauf dans quelques rares cas où les spins peuvent être refroidis par voie optique.
Les physiciens de l'Iramis (SPEC) proposent une méthode d'hyperpolarisation des spins électroniques dérivée de leurs travaux récents (première mise en évidence de l'« effet Purcell »). L'échantillon à analyser est inséré dans une cavité micro-ondes. Le champ magnétique externe est ajusté de sorte que l'écart entre les niveaux d'énergie des spins électroniques corresponde exactement à la fréquence de résonance de la cavité. Du fait du couplage avec le champ électromagnétique, la relaxation radiative des spins (émission d'un photon microonde) est bien plus probable que la désexcitation non radiative par émission de phonons (quantum de vibrations), ce qui signe l'effet Purcell.
Concrètement, l'ensemble de spins électroniques contenus dans l'échantillon – atomes de bismuth implantés dans un cristal de silicium – sont couplés à un résonateur supraconducteur en niobium de fréquence 7,4 GHz en régime Purcell, refroidi à une température de 850 mK. En connectant l'entrée du résonateur à une résistance refroidie à 20 mK, les chercheurs montrent qu'ils réduisent le champ électromagnétique dans la cavité ce qui a pour effet de réduire la population de spins dans le niveau énergétique supérieur et donc la température effective des spins. Le signal RPE mesuré (mesure d'écho de spins) est alors multiplié par 2,3 – en cohérence avec une température de spins réduite à 350 mK.
Cette méthode devrait aussi s'appliquer à des températures d'échantillon plus élevées, notamment à celle de l'hélium liquide (4,2K). Mieux, il serait en principe possible d'atteindre une polarisation quasi-parfaite en combinant le refroidissement radiatif des spins expérimenté dans cette étude, avec le refroidissement « actif » du champ micro-onde, récemment démontré en utilisant des jonctions Josephson.