in de natuurkunde, thermalisatie, of de trend van subsystemen binnen een geheel om een ​​gemeenschappelijke temperatuur te krijgen, is typisch de norm. Er zijn situaties, echter, waar thermalisatie wordt vertraagd of vrijwel onderdrukt; voorbeelden zijn te vinden bij het beschouwen van de dynamiek van elektronen- en kernspins in vaste stoffen, waar bepaalde subgroepen zich gedragen alsof ze geïsoleerd zijn van de rest. Begrijpen waarom dit gebeurt en hoe het kan worden gecontroleerd, staat momenteel centraal in een brede inspanning, met name voor toepassingen in het opkomende gebied van kwantuminformatietechnologieën.

Berichtgeving in het laatste nummer van wetenschappelijke vooruitgang , een groep onderzoekers van The City College of New York (CCNY) biedt nieuwe inzichten in de dynamiek van spin-thermisatie op nanoschaal. Het artikel is getiteld:"Optisch gepompte spinpolarisatie als een sonde van veellichaamsthermisatie, " en het werk werd uitgevoerd onder toezicht van Carlos A. Meriles, de Martin en Michele Cohen Professor of Physics in CCNY's Division of Science.

Een van de belangrijkste hindernissen bij het onderzoeken van thermalisatie op nanoschaal is het enorme verschil tussen het aantal thermische en athermische spins, de laatste is slechts een kleine fractie van het totaal. Om de stroom van spinpolarisatie tussen deze groepen te laten zien, experimenten moeten gelijktijdig gevoelig zijn voor beide groepen, een moeilijk voorstel omdat de meeste technieken zijn aangepast aan de ene of de andere groep, maar niet geschikt zijn voor beide. Werken met natuurkundigen aan de Universiteit van Californië, Berkeley, en de Universidad Nacional de Cordoba in Argentinië, De CCNY-groep van Meriles ontwikkelde een techniek die dit probleem omzeilt. Verder, met behulp van deze techniek was het mogelijk om te zien dat onder bepaalde specifieke omstandigheden, het is mogelijk om die geïsoleerde ('athermische') spins te laten 'communiceren' met de rest.

"In een solide elektronenspins nemen meestal de vorm aan van onzuiverheden of onvolkomenheden in het kristalrooster, terwijl kernspins geassocieerd zijn met de atomen van het kristal zelf en dus veel overvloediger zijn, "zei Meriles. "Bijvoorbeeld, voor diamant, het systeem dat we hebben bestudeerd, elektronenspins zijn de "NV'- en "P1'-centra, en kernspins zijn de koolstofatomen in het diamantrooster."

Omdat de elektronenspin veel sterker is dan de kernspin, koolstoffen in de buurt van NV's of P1's ervaren een lokaal magnetisch veld, afwezig voor koolstoffen die verder weg zijn. Vanwege het lokale veld dat ze ervaren, Van hyperfijn-gekoppelde koolstoffen wordt traditioneel aangenomen dat ze geïsoleerd zijn van de rest, in de zin dat, indien gepolariseerd, ze kunnen deze polarisatie niet doorgeven aan de massa, d.w.z., hun spin is bevroren of 'gelokaliseerd, " vandaar leidend tot een 'athermisch' gedrag.

"Onze experimenten tonen aan dat de bovenstaande ideeën niet geldig zijn wanneer de concentratie van elektronenspins voldoende hoog is. In deze limiet, we vinden dat hyperfijn-gekoppelde en bulkkernen efficiënt communiceren omdat groepen elektronenspins dienen als effectieve linkers om zich rond anders geïsoleerde nucleaire spinpolarisatie te verplaatsen. We vinden dat dit proces echt effectief kan zijn, wat leidt tot snelle transportsnelheden van kernspin, zelfs die tussen bulkkernen overschrijden, ' zei Meriles.

Algemeen, de bevindingen van het CCNY-team kunnen helpen bij het realiseren van apparaten die elektronen en nucleaire spins in vaste stoffen gebruiken voor de verwerking of detectie van kwantuminformatie op nanoschaal. Indirect, het zou ook kunnen helpen bij het implementeren van toestanden van hoge nucleaire spinpolarisatie die zouden kunnen worden toegepast in MRI- en NMR-spectroscopie.