Fysikere kaster lys over nanoskala -dynamikken ved centrifugering af centrifugering

I fysikken, termalisering, eller tendensen med delsystemer inden for en helhed for at opnå en fælles temperatur, er typisk normen. Der er situationer, imidlertid, hvor termikalisering sænkes eller praktisk talt undertrykkes; eksempler findes, når man overvejer dynamikken i elektron- og nukleare spins i faste stoffer, hvor visse undergrupper opfører sig som isoleret fra resten. At forstå, hvorfor dette sker, og hvordan det kan kontrolleres, er i øjeblikket i centrum for en bred indsats, især til applikationer inden for det nye område inden for kvanteinformationsteknologier.

Rapportering i seneste nummer af Videnskab fremskridt , en gruppe forskere baseret på The City College of New York (CCNY) giver ny indsigt i dynamikken i spintermalisering på nanoskalaen. Papiret har titlen:"Optisk pumpet spin-polarisering som en sonde til mange-krops-termalisering, "og arbejdet blev udført under tilsyn af Carlos A. Meriles, Martin og Michele Cohen, professor i fysik i CCNYs videnskabsafdeling.

En af de største hindringer for at undersøge nanoskala -termalisering er den enorme forskel mellem antallet af termiske og athermale centrifugeringer, sidstnævnte er kun en lille brøkdel af totalen. For at vise spin -polarisationsstrømmen mellem disse grupper, eksperimenter skal være følsomme over for begge grupper samtidigt et vanskeligt forslag, da de fleste teknikker er tilpasset den ene eller den anden gruppe, men dårligt egnede til begge. Arbejder med fysikere ved University of California, Berkeley, og Argentinas Universidad Nacional de Cordoba, Meriles 'CCNY -gruppe udviklede en teknik, der omgår dette problem. Yderligere, ved hjælp af denne teknik var det muligt at se, at under visse specifikke forhold, det er muligt at få de isolerede ('athermale') spins til at 'kommunikere' med resten.

"I et solidt, elektronspins har typisk form af urenheder eller ufuldkommenheder i krystalgitteret, der henviser til, at nukleare spins er forbundet med atomerne i selve krystallen og dermed er langt mere rigelige, "sagde Meriles." F.eks. for diamant, det system, vi studerede, elektronspins er "NV" og "P1" centrene, og atomspin er kulstofferne i diamantgitteret. "

Fordi elektron -spin er meget stærkere end atomspin, carbonatomer tæt på NV'er eller P1'er oplever et lokalt magnetfelt, fraværende for carbonatomer, der er længere væk. På grund af det lokale felt, de oplever, traditionelt antages, at hyperfinkoblede carbonatomer er isoleret fra resten, i den forstand, at hvis polariseret, de kan ikke overføre denne polarisering til hovedparten, dvs. deres spin er frosset eller 'lokaliseret' "hvilket fører til en" athermal "adfærd.

"Vores eksperimenter viser, at ideerne ovenfor ikke er gyldige, når koncentrationen af ​​elektronspins er tilstrækkelig høj. I denne grænse, vi finder ud af, at hyperfine koblede og bulkkerner kommunikerer effektivt, fordi grupper af elektronspins fungerer som effektive linkere til at bevæge sig rundt på anden måde isoleret nuklear spin -polarisering. Vi finder, at denne proces kan være virkelig effektiv, fører til hurtige nukleare centrifugeringshastigheder, overskrider selv dem mellem bulkkerner, sagde Meriles.

Samlet set, CCNY -teamets resultater kan hjælpe med at realisere enheder, der bruger elektron- og nukleare spins i faste stoffer til behandling af kvanteoplysninger eller sensing på nanoskalaen. Indirekte, det kan også hjælpe med at implementere tilstande med høj nuklear spin -polarisering, der kan anvendes i MR- og NMR -spektroskopi.