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INVESTIGADORES DE FAMAF EXPLICAN FENÓMENOS DE TERMALIZACIÓN A ESCALA NANOSCÓPICA

Trabajo de investigación en conjunto entre FAMAF, el City College of New York y la Universidad de California.

En sistemas físicos de muchas partículas interactuantes, comúnmente pueden medirse propiedades homogéneas propias del equilibrio, como por ejemplo su temperatura. Si alguna perturbación altera el estado de algunas partículas, también es muy común observar su retorno al equilibrio con el resto del sistema global. Este fenómeno se conoce genéricamente como termalización. Existen casos paradigmáticos en los que la termalización no ocurre, o bien sus mecanismos microscópicos subyacentes escapan a una descripción evidente. Uno de los casos más conocidos en los que la termalización falla, se denomina barrera de difusión de espín. Este fenómeno fue reportado por primera vez hace más de 50 años y se encuentra en la frontera entre la Resonancia Magnética Nuclear y la Resonancia Paramagnética Electrónica.

Los investigadores de FAMAF Pablo R. Zangara y Rodolfo H. Acosta, en colaboración con el grupo de Carlos Meriles (City College of New York, Estados Unidos) y Alex Pines (University of California at Berkeley, Estados Unidos) publicaron recientemente un novedoso estudio acerca de la barrera de difusión de espín en la revista Science Advances [1]. Allí, mediante una serie de experimentos, simulaciones computacionales y cálculos analíticos, explicaron los mecanismos microscópicos en los que la barrera de difusión puede efectivamente colapsar, permitiendo la termalización de la polarización de espín. El sistema físico estudiado está constituido por espines nucleares de átomos de carbono y espines electrónicos de impurezas paramagnéticas, ambas especies presentes en un cristal de diamante. Los experimentos involucraron bombeo óptico láser y detección mediante resonancia magnética nuclear.

Los resultados reportados muestran cómo la presencia de impurezas paramagnéticas puede ayudar a la difusión de polarización nuclear, incrementando en dos órdenes de magnitud la velocidad con la que tal polarización de espín se equi-distribuye (termaliza) en el cristal. Más allá de su importancia para la física básica, este estudio abre importantes posibilidades para el desarrollo de aplicaciones en el campo de imágenes por resonancia magnética.

En cuanto a nuestra facultad, el grupo liderado por Rodolfo Acosta ( https://twitter.com/Spin_UNC ) se encuentra actualmente construyendo un dispositivo experimental análogo a los existentes en los grupos colaboradores de los Estados Unidos, a fin de desarrollar localmente capacidades experimentales independientes. El proyecto se enmarca en una colaboración con Carlos Meriles (CCNY, Estados Unidos) y Fernando Stefani (CIBION-UBA, Argentina). En el diseño, desarrollo y montaje del sistema ya trabajan el investigador recientemente repatriado Pablo Zangara y el estudiante de doctorado Santiago Bussandri, y se cuenta con la importante colaboración del Taller de Mecánica de Precisión de FAMAF. Cabe destacar que ésta constituye una línea de investigación experimental totalmente nueva en FAMAF, involucrando óptica (una rama de la física experimental prácticamente inexistente en los laboratorios de FAMAF) y Resonancia Magnética Nuclear.

[1] D. Pagliero*, P.R. Zangara*, J. Henshaw, A. Ajoy, R.H. Acosta, J.A. Reimer, A. Pines, and C.A. Meriles, “Optically pumped spin polarization as a probe of many-body thermalization”, Science Advances, Vol. 6, no. 18, eaaz6986 (2020).

(Fotografías tomadas por el laboratorio del CCNY, Estados Unidos)