物理学家揭示了自旋热化的纳米尺度动力学

时间:2020-05-25 11:33:32   作者:
在物理学中,热化,即子系统在一个整体内达到一个共同温度的趋势,通常是常态。然而,在某些情况下,热作用减慢或几乎被抑制;在考虑固体中电子和核自旋的动力学时,我们可以找到一些例子,其中某些子群的行为似乎与其它子群隔离开来。理解为什么会发生这种情况以及如何对其进行控制,目前是一项广泛努力的核心,特别是在量子信息技术这个新兴领域的应用。
物理学家揭示了自旋热化的纳米尺度动力学

纽约市立学院(CCNY)的一组研究人员在最新一期的《科学进展》(Science Advances)上发表的报告,为纳米尺度下的自旋热化动力学提供了新的见解。这篇论文的题目是:“光泵自旋极化作为多体热化的探针”,这项工作是在卡洛斯·a·梅里莱斯(Carlos a . Meriles)的指导下进行的,他和米歇尔·科恩(Michele Cohen)是纽约城市大学科学系的物理学教授。

研究纳米尺度热化的主要障碍之一是热自旋和非热自旋数量之间的巨大差异,后者仅占总自旋的很小一部分。为了显示这些群体之间的自旋极化流动,实验必须同时对这两个群体敏感,这是一个困难的命题,因为大多数技术适用于一个群体或另一个群体,但不适合于两者。通过与加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)和阿根廷科尔多瓦国立大学(Universidad Nacional de Cordoba)的物理学家们合作,梅里莱斯的CCNY团队开发出了一种可以绕过这个问题的技术。此外,使用这种技术,我们可以看到,在特定的条件下,使那些孤立的(非热的)自旋与其他自旋“交流”是可能的。

“在固体中,电子自旋通常以晶体晶格中的杂质或缺陷的形式出现,而核自旋与晶体本身的原子有关,因此更为丰富,”Meriles说。“例如,对于钻石,我们研究的系统,电子自旋是‘NV’和‘P1’中心,而核自旋是钻石晶格中的碳。”

因为电子自旋比核自旋强得多,所以靠近NVs或P1s的碳会受到局部磁场的影响,而较远的碳则不会。由于它们所经历的局部场,超细耦合的碳传统上被认为是孤立的,从这个意义上说,如果极化,它们就不能把这个极化传递给主体。,它们的自旋是冻结的或“局域的”,因此导致了一种“非热的”行为。

“我们的实验证明,当电子自旋浓度足够高时,上述观点是不正确的。”在这个极限下,我们发现超精细耦合和大体积原子核有效地通讯,因为电子自旋群作为有效的连接体在孤立的核自旋极化周围移动。我们发现这个过程可以非常有效,导致快速的核自旋输运速率,甚至超过大核之间的自旋输运速率。”

总的来说,CCNY团队的发现可以帮助实现利用固体中的电子和核自旋在纳米尺度上进行量子信息处理或传感的设备。间接地,它也可以帮助实现高核自旋极化状态,可以应用于核磁共振和核磁共振波谱。
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