In fisica, termalizzazione, o la tendenza dei sottosistemi all'interno di un insieme per ottenere una temperatura comune, è tipicamente la norma. Ci sono situazioni, però, dove la termalizzazione è rallentata o virtualmente soppressa; si trovano esempi quando si considerano le dinamiche degli spin elettronici e nucleari nei solidi, dove certi sottogruppi si comportano come se fossero isolati dal resto. Capire perché questo accade e come può essere controllato è attualmente al centro di un ampio sforzo, in particolare per le applicazioni nel campo emergente delle tecnologie dell'informazione quantistica.

Segnalazione nell'ultimo numero di Progressi scientifici , un gruppo di ricercatori con sede presso il City College di New York (CCNY) fornisce nuove informazioni sulle dinamiche della termalizzazione dello spin su scala nanometrica. L'articolo è intitolato:"Pompaggio ottico di spin polarizzazione come sonda di termalizzazione a molti corpi, " e il lavoro è stato svolto sotto la supervisione di Carlos A. Meriles, il Martin e Michele Cohen Professore di Fisica nella Divisione di Scienze del CCNY.

Uno dei principali ostacoli allo studio della termalizzazione su nanoscala è l'enorme disparità tra il numero di spin termici e atermici, quest'ultimo è solo una piccola frazione del totale. Per mostrare il flusso di polarizzazione di spin tra questi gruppi, gli esperimenti devono essere sensibili contemporaneamente a entrambi i gruppi, una proposta difficile poiché la maggior parte delle tecniche sono adattate a un gruppo o all'altro, ma inadatte a entrambi. Lavorando con i fisici dell'Università della California, Berkeley, e l'Argentina Universidad Nacional de Cordoba, Il gruppo CCNY di Meriles ha sviluppato una tecnica che aggira questo problema. Ulteriore, utilizzando questa tecnica è stato possibile vedere che in determinate condizioni specifiche, è possibile far 'comunicare' con il resto quelle rotazioni isolate ('atermiche').

"In un solido, gli spin degli elettroni assumono tipicamente la forma di impurità o imperfezioni nel reticolo cristallino, considerando che gli spin nucleari sono associati agli atomi del cristallo stesso e quindi sono molto più abbondanti, " disse Meriles. "Per esempio, per diamante, il sistema che abbiamo studiato, gli spin elettronici sono i centri "NV" e "P1", e gli spin nucleari sono i carboni nel reticolo del diamante."

Poiché lo spin dell'elettrone è molto più forte dello spin nucleare, i carboni vicini a NV o P1 sperimentano un campo magnetico locale, assente per i carboni più lontani. A causa del campo locale che sperimentano, tradizionalmente si presume che i carboni accoppiati iperfini siano isolati dal resto, nel senso che, se polarizzato, non possono passare questa polarizzazione alla massa, cioè., la loro rotazione è congelata o 'localizzata, " quindi portando a un comportamento 'termico'.

"I nostri esperimenti dimostrano che le idee di cui sopra non sono valide quando la concentrazione di spin degli elettroni è sufficientemente alta. In questo limite, troviamo che i nuclei iperfini accoppiati e bulk comunicano in modo efficiente perché i gruppi di spin di elettroni fungono da linker efficaci per muoversi attorno a polarizzazioni di spin nucleari altrimenti isolate. Troviamo che questo processo può essere davvero efficace, portando a veloci tassi di trasporto di spin nucleare, superando anche quelli tra nuclei bulk, " disse Merili.

Globale, le scoperte del team CCNY potrebbero aiutare a realizzare dispositivi che utilizzano spin di elettroni e nucleari nei solidi per l'elaborazione o il rilevamento di informazioni quantistiche su scala nanometrica. Indirettamente, potrebbe anche aiutare a implementare stati di alta polarizzazione dello spin nucleare che potrebbero essere applicati nella spettroscopia MRI e NMR.