在物理学中，热化或整体内子系统获得共同温度的趋势通常是常态。然而，在某些情况下，热化速度减慢或实际上受到抑制;在考虑固体中电子和核自旋的动力学时会发现一些例子，其中某些子群的行为就像与其他子群隔离开来一样。了解为什么会发生这种情况以及如何对其进行控制是目前广泛努力的核心，特别是对于新兴的量子信息技术领域的应用。
在最新一期的《科学进展》中报道，纽约城市学院 (CCNY) 的一组研究人员提供了关于纳米尺度自旋热化动力学的新见解。该论文的标题是：“光学泵浦自旋极化作为多体热化的探针”，该工作是在 CCNY 科学部 Martin 和 Michele Cohen 物理学教授 Carlos A. Meriles 的监督下进行的。
研究纳米级热化的主要障碍之一是热自旋和非热自旋的数量之间存在巨大差异，后者仅占总数的一小部分。为了显示这些组之间的自旋极化流动，实验必须同时对两组敏感，这是一个困难的命题，因为大多数技术适用于一组或另一组，但不适用于两者。Meriles 的 CCNY 小组与加州大学伯克利分校和阿根廷科尔多瓦国立大学的物理学家合作，开发了一种技术来规避这个问题。此外，使用这种技术可以看到，在某些特定条件下，可以使那些孤立的(“无热”)自旋与其他自旋“交流”。
“在固体中，电子自旋通常以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相关，因此更加丰富，”梅里尔斯说。“例如，对于金刚石，我们研究的系统，电子自旋是“NV'和”P1'中心，核自旋是金刚石晶格中的碳。”
由于电子自旋比核自旋强得多，靠近 NV 或 P1 的碳会经历局部磁场，而较远的碳则不存在。由于它们所经历的局部场，传统上认为超精细耦合碳与其他碳是隔离的，从某种意义上说，如果极化，它们不能将这种极化传递到主体，即它们的自旋被冻结或“局部化，” ”，从而导致“非热”行为。
“我们的实验表明，当电子自旋的浓度足够高时，上述想法是无效的。在这个限制下，我们发现超精细耦合和体核有效地通信，因为电子自旋组作为有效的连接器在其他孤立的核周围移动自旋极化。我们发现这个过程非常有效，导致快速的核自旋传输速率，甚至超过体核之间的传输速率，“梅里尔斯说。
总体而言，CCNY 团队的发现可以帮助实现在固体中使用电子和核自旋进行量子信息处理或纳米级传感的设备。间接地，它还可以帮助实现可应用于 MRI 和 NMR 光谱的高核自旋极化状态。
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