En physique, thermalisation, ou la tendance des sous-systèmes au sein d'un ensemble à gagner une température commune, est généralement la norme. Il y a des situations, cependant, où la thermalisation est ralentie ou quasiment supprimée; des exemples sont trouvés en considérant la dynamique des spins électroniques et nucléaires dans les solides, où certains sous-groupes se comportent comme s'ils étaient isolés du reste. Comprendre pourquoi cela se produit et comment cela peut être contrôlé est actuellement au centre d'un vaste effort, en particulier pour des applications dans le domaine émergent des technologies de l'information quantique.

Reportage dans le dernier numéro de Avancées scientifiques , un groupe de chercheurs basés au City College of New York (CCNY) fournit de nouvelles informations sur la dynamique de la thermalisation de spin à l'échelle nanométrique. L'article est intitulé :« Polarisation de spin à pompage optique en tant que sonde de thermalisation à plusieurs corps, " et les travaux ont été réalisés sous la direction de Carlos A. Meriles, le professeur de physique Martin et Michele Cohen à la Division des sciences du CCNY.

L'un des principaux obstacles à l'étude de la thermalisation à l'échelle nanométrique est l'énorme disparité entre le nombre de spins thermiques et athermiques, ce dernier n'étant qu'une infime fraction du total. Pour montrer le flux de polarisation de spin entre ces groupes, les expériences doivent être simultanément sensibles aux deux groupes, une proposition difficile car la plupart des techniques sont adaptées à un groupe ou à l'autre mais mal adaptées aux deux. En collaboration avec des physiciens de l'Université de Californie, Berkeley, et l'Universidad Nacional de Cordoba d'Argentine, Le groupe CCNY de Meriles a développé une technique qui contourne ce problème. Plus loin, en utilisant cette technique, il a été possible de voir que dans certaines conditions spécifiques, il est possible de faire « communiquer » ces spins isolés (« athermiques ») avec les autres.

« Dans un solide, les spins des électrons prennent généralement la forme d'impuretés ou d'imperfections dans le réseau cristallin, alors que les spins nucléaires sont associés aux atomes du cristal lui-même et sont donc beaucoup plus abondants, " dit Meriles. " Par exemple, pour le diamant, le système que nous avons étudié, les spins des électrons sont les centres "NV" et "P1", et les spins nucléaires sont les carbones du réseau de diamants."

Parce que le spin électronique est beaucoup plus fort que le spin nucléaire, les carbones proches des NV ou des P1 subissent un champ magnétique local, absent pour les carbones plus éloignés. En raison du terrain local qu'ils connaissent, les carbones à couplage hyperfin ont été traditionnellement supposés être isolés du reste, dans le sens où, si polarisé, ils ne peuvent pas transmettre cette polarisation à la masse, c'est à dire., leur rotation est figée ou « localisée, " conduisant ainsi à un comportement 'athermique'.

"Nos expériences démontrent que les idées ci-dessus ne sont pas valables lorsque la concentration de spins électroniques est suffisamment élevée. Dans cette limite, nous constatons que les noyaux hyperfins couplés et massifs communiquent efficacement parce que les groupes de spins électroniques servent de lieurs efficaces pour se déplacer autour de la polarisation de spin nucléaire autrement isolée. Nous trouvons que ce processus peut être vraiment efficace, conduisant à des vitesses de transport de spin nucléaire rapides, dépassant même ceux entre les noyaux en vrac, " dit Meriles.

Globalement, les découvertes de l'équipe du CCNY pourraient aider à réaliser des dispositifs qui utilisent des spins électroniques et nucléaires dans les solides pour le traitement ou la détection d'informations quantiques à l'échelle nanométrique. Indirectement, cela pourrait également aider à mettre en œuvre des états de polarisation de spin nucléaire élevée qui pourraient être appliqués à la spectroscopie IRM et RMN.