En física, termalización, o la tendencia de los subsistemas dentro de un todo a ganar una temperatura común, es típicamente la norma. Hay situaciones sin embargo, donde la termalización se ralentiza o prácticamente se suprime; Se encuentran ejemplos al considerar la dinámica de los espines nucleares y de electrones en sólidos, donde ciertos subgrupos se comportan como si estuvieran aislados del resto. Comprender por qué sucede esto y cómo se puede controlar es actualmente el centro de un amplio esfuerzo, particularmente para aplicaciones en el campo emergente de las tecnologías de la información cuántica.

Reportando en el último número de Avances de la ciencia , un grupo de investigadores del City College of New York (CCNY) proporciona nuevos conocimientos sobre la dinámica de la termalización del espín a nanoescala. El artículo se titula:"Polarización de espín bombeada ópticamente como sonda de termalización de muchos cuerpos, "y la obra se llevó a cabo bajo la supervisión de Carlos A. Meriles, el profesor Martin y Michele Cohen de Física en la División de Ciencias del CCNY.

Uno de los principales obstáculos para investigar la termalización a nanoescala es la enorme disparidad entre el número de espines térmicos y atérmicos. este último es sólo una pequeña fracción del total. Para mostrar el flujo de polarización de espín entre estos grupos, los experimentos deben ser simultáneamente sensibles a ambos grupos, una propuesta difícil, ya que la mayoría de las técnicas se adaptan a un grupo o al otro, pero no son adecuadas para ambos. Trabajando con físicos en la Universidad de California, Berkeley, y la Universidad Nacional de Córdoba de Argentina, El grupo CCNY de Meriles desarrolló una técnica que evita este problema. Más lejos, usando esta técnica fue posible ver que bajo ciertas condiciones específicas, es posible hacer que esos espines aislados ('atérmicos') 'se comuniquen' con el resto.

"En un sólido, los espines de electrones generalmente toman la forma de impurezas o imperfecciones en la red cristalina, mientras que los espines nucleares están asociados a los átomos del cristal mismo y, por lo tanto, son mucho más abundantes, "dijo Meriles." Por ejemplo, para el diamante, el sistema que estudiamos, los espines de electrones son los centros "NV 'y" P1', y los espines nucleares son los carbonos en la red de diamantes ".

Debido a que el espín del electrón es mucho más fuerte que el espín nuclear, los carbones cercanos a NV o P1 experimentan un campo magnético local, ausente para los carbonos que están más lejos. Debido al campo local que experimentan, Se ha supuesto tradicionalmente que los carbonos hiperfinos acoplados están aislados del resto, en el sentido de que, si está polarizado, no pueden pasar esta polarización al grueso, es decir., su giro está congelado o 'localizado, "de ahí que conduzca a un comportamiento 'atérmico'.

"Nuestros experimentos demuestran que las ideas anteriores no son válidas cuando la concentración de espines de electrones es lo suficientemente alta. En este límite, Encontramos que los núcleos acoplados hiperfinos y a granel se comunican de manera eficiente porque los grupos de espines de electrones sirven como enlazadores efectivos para moverse alrededor de una polarización de espín nuclear que de otra manera estaría aislada. Encontramos que este proceso puede ser realmente efectivo, lo que lleva a velocidades rápidas de transporte de espín nuclear, superando incluso aquellos entre núcleos a granel, "dijo Meriles.

En general, Los hallazgos del equipo de CCNY podrían ayudar a realizar dispositivos que utilizan espines nucleares y de electrones en sólidos para el procesamiento o detección de información cuántica a nanoescala. Indirectamente, también podría ayudar a implementar estados de alta polarización de espín nuclear que podrían aplicarse en espectroscopía de resonancia magnética y RMN.