Исследование предлагает новое понимание динамики спиновой термализации в наноразмерном масштабе

Исследование предлагает новое понимание динамики спиновой термализации в наноразмерном масштабе

В физике термизация или тенденция подсистем в целом к ​​достижению общей температуры обычно является нормой. Однако существуют ситуации, когда термализация замедляется или практически подавляется; примеры можно найти при рассмотрении динамики спинов электронов и ядер в твердых телах, когда некоторые подгруппы ведут себя так, как будто они изолированы от остальных. Понимание того, почему это происходит и как им можно управлять, в настоящее время находится в центре широких усилий, особенно для приложений в новой области квантовых информационных технологий.

Сообщая в последнем выпуске « Science Advances », группа исследователей из Городского колледжа Нью-Йорка (CCNY) дает новое представление о динамике спиновой термализации на наноуровне. Статья озаглавлена: «Спиновая поляризация с оптической накачкой как зонд термизации многих тел», и работа была проведена под наблюдением Карлоса А. Мерилеса, профессора физики Мартина и Мишеля Коэнов в Отделении науки CCNY.

Одним из основных препятствий на пути исследования термализации в наномасштабе является огромное несоответствие между количеством тепловых и атермальных спинов, причем последнее составляет лишь крошечную долю от общего числа. Чтобы показать поток спиновой поляризации между этими группами, эксперименты должны быть одновременно чувствительными к обеим группам, что является трудным предложением, так как большинство методов адаптированы к одной или другой группе, но плохо подходят для обеих. Работая с физиками в Калифорнийском университете в Беркли и Национальном университете Кордовы в Аргентине, группа Meriles CCNY разработала методику, позволяющую обойти эту проблему. Кроме того, используя эту технику, можно было увидеть, что при определенных конкретных условиях можно заставить эти изолированные («атермальные») спины «общаться» с остальными.

«В твердом теле электронные спины обычно принимают форму примесей или дефектов в кристаллической решетке, в то время как ядерные спины связаны с атомами самого кристалла и, следовательно, являются более распространенными», – сказал . Meriles. «Например, для алмаза, системы, которую мы изучали, электронные спины являются центрами« NV »и« P1 », а ядерные спины являются атомами углерода в решетке алмаза».

Поскольку спин электрона намного сильнее ядерного спина, атомы углерода, близкие к NV или P1, испытывают локальное магнитное поле, отсутствующее для атомов, находящихся дальше. Из-за локального поля, с которым они сталкиваются, традиционно считалось, что сверхтонко связанные атомы углерода изолированы от остальных в том смысле, что, будучи поляризованными, они не могут передать эту поляризацию в объем, то есть их спин заморожен или «локализован». следовательно, ведет к «атермальному» поведению.

«Наши эксперименты демонстрируют, что идеи выше не верны, когда концентрация электронных спинов достаточно высока. В этом пределе мы находим, что сверхтонко связанные и объемные ядра эффективно взаимодействуют, потому что группы электронных спинов служат эффективными линкерами чтобы перемещаться вокруг иначе изолированной ядерной спиновой поляризации. Мы находим, что этот процесс может быть действительно эффективным, приводя к быстрым скоростям переноса ядерного спина, превосходящим даже те, которые происходят между объемными ядрами ", – сказал Мерилес.

В целом, выводы команды CCNY могут помочь реализовать устройства, которые используют электронные и ядерные спины в твердых телах для квантовой обработки информации или зондирования на наноуровне. Косвенно это также может помочь реализовать состояния высокой ядерной спиновой поляризации, которые могут быть применены в МРТ и ЯМР-спектроскопии.

Источник: https://www.ccny.cuny.edu/

Source link