I fysik, termalisering, eller trenden med delsystem inom en helhet att få en gemensam temperatur, är vanligtvis normen. Det finns situationer, dock, där termaliseringen saktas ner eller praktiskt taget undertrycks; exempel finns när man betraktar dynamiken hos elektron- och kärnspinn i fasta ämnen, där vissa undergrupper beter sig som om de var isolerade från resten. Att förstå varför detta händer och hur det kan kontrolleras är för närvarande i centrum för ett brett arbete, särskilt för tillämpningar inom det framväxande området för kvantinformationsteknik.

Rapportering i senaste numret av Vetenskapens framsteg , en grupp forskare baserade på The City College of New York (CCNY) ger nya insikter om dynamiken i spinntermalisering på nanoskala. Uppsatsen har titeln:"Optiskt pumpad spinnpolarisering som en sond för termalisering av många kroppar, " och arbetet utfördes under överinseende av Carlos A. Meriles, Martin och Michele Cohen professor i fysik vid CCNY:s avdelning för vetenskap.

Ett av de största hindren för att undersöka termalisering i nanoskala är den enorma skillnaden mellan antalet termiska och atermiska spinn, det senare är bara en liten bråkdel av totalen. För att visa flödet av spinnpolarisering mellan dessa grupper, experiment måste samtidigt vara känsliga för båda grupperna, ett svårt förslag eftersom de flesta tekniker är anpassade till den ena eller den andra gruppen men illa lämpade för båda. Arbetar med fysiker vid University of California, Berkeley, och Argentinas Universidad Nacional de Cordoba, Meriles CCNY-grupp utvecklade en teknik som kringgår detta problem. Ytterligare, med denna teknik var det möjligt att se att under vissa specifika förhållanden, det är möjligt att få de isolerade ('atermiska') snurrorna att 'kommunicera' med resten.

"I ett fast, elektronsnurr tar vanligtvis formen av föroreningar eller ofullkomligheter i kristallgittret, medan kärnsnurr är förknippade med atomerna i själva kristallen och därför är mycket rikligare, " sa Meriles. "Till exempel, för diamant, systemet vi studerade, elektronspinn är "NV"- och "P1"-centra, och kärnspinn är kolen i diamantgittret."

Eftersom elektronsnurret är mycket starkare än kärnsnurret, kol nära NV eller P1 upplever ett lokalt magnetfält, saknas för kol som är längre bort. På grund av det lokala fältet de upplever, hyperfinkopplade kol har traditionellt antagits vara isolerade från resten, i den meningen att, om polariserad, de kan inte överföra denna polarisering till huvuddelen, dvs. deras spin är fryst eller 'lokaliserad, " vilket leder till ett "atermiskt" beteende.

"Våra experiment visar att idéerna ovan inte är giltiga när koncentrationen av elektronsnurr är tillräckligt hög. I denna gräns, vi finner att hyperfina kopplade och bulkkärnor kommunicerar effektivt eftersom grupper av elektronspinn fungerar som effektiva länkar för att röra sig runt annars isolerad kärnspinnpolarisering. Vi tycker att denna process kan vara riktigt effektiv, leder till snabba transporthastigheter för kärnspinn, överskrider även de mellan bulkkärnor, sa Meriles.

Övergripande, CCNY-teamets resultat kan hjälpa till att förverkliga enheter som använder elektron- och kärnspinn i fasta ämnen för kvantinformationsbearbetning eller avkänning i nanoskala. Indirekt, det skulle också kunna hjälpa till att implementera tillstånd av hög kärnspinnpolarisering som skulle kunna tillämpas i MRI- och NMR-spektroskopi.