Анатоль Абрагам - Время вспять, или Физик, физик, где ты был

• Название: Время вспять, или Физик, физик, где ты был
• Автор: Анатоль Абрагам
• Издательство: "Наука". Физматлит
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1991
• ISBN: 5-02-014712-5

Автобиография Анатолия Абрагама — французского ученого-физика, внесшего немалый вклад в развитие физики, в особенности послевоенной, в области исследований по ядерному магнетизму. А. Абрагам был научным руководителем физических исследований в Комиссариате атомной энергии, вел курс ядерного магнетизма в Колледж де Франс; награжден медалью Лоренца и первым удостоен премии Макса Планка. Автор пишет остро, яркими красками, без желания кого-нибудь обидеть, однако называя вещи своими именами.

Книга читается с большим интересом и предназначена широкому кругу физиков.

---

Во всех ядерных упорядоченных фазах, которые мы наблюдали до 1980 года, спины всегда были параллельны или антипараллельны внешнему полю Я. Ввиду того что ось вращения вращающихся координат совпадает с направлением внешнего поля, все эти фазы выглядят одинаково в лабораторной и во вращающейся системе координат. Но в своей теории Гольдман предсказывал существование поперечных фаз. Во вращающейся системе они кажутся статическими, но в лабораторной системе, в той, в которой, в конце концов, мы живем и устанавливаем наши детекторы, они вращаются с ларморовской частотой. Упорядоченные фазы, которые вращаются с угловой частотой в сотни мегагерц и тем не менее устойчивы в течение времен порядка Td, т. е. порой в течение целого часа, казались, мягко выражаясь, маловероятными. Эта кажущаяся невероятность была немного смягчена тем, что после АРВС полная поперечная намагниченность системы спинов равна нулю и, значит, не способна произвести электродвижущую силу в любой макроскопической катушке. В обратном случае возникло бы затухание, которое моментально привело бы существование такой фазы к концу.

Гольдман построил теорию (более изощренную, чем обычная модель локального поля Вейсса), которая предсказывала, что во фтористом калии при положительной температуре, когда внешнее поле направлено вдоль оси [111], стабильной должна оказаться геликоидальная поперечная структура (напомню, что при отрицательной температуре и том же направлении поля мы имели доменный ферромагнетизм). Но как это доказать, если макроскопическая ядерная намагниченность образца равна нулю?

Гольдман придумал замечательно остроумный эксперимент, который я постараюсь объяснить. Вернемся к методу Хартмана и Хана, который мы описали раньше, где резонансный переход поляризации между спинами 19F и спинами 43Са происходит, когда ларморовские частоты обеих сортов спинов, каждая в своем собственном вращающемся эффективном поле, равны. Как раз такой резонансный переход наблюдался в предлагаемой поперечной упорядоченной фазе спинов фтора, хотя никакого радиочастотного поля на спины фтора не накладывали! Объяснение бросалось в глаза: локальное поле Вейсса, которое «видел» каждый спин фтора, само вращалось, что было возможным, если только вращалась вся упорядоченная фаза. Этот эксперимент я храню в своем маленьком личном музее наук.

**Ядерный псевдомагнетизм

Наградив каждый ядерный спин псевдомагнитным моментом μ*, я почувствовал соблазн пойти дальше по этому пути и ввести понятие ядерной псевдонамагниченности: M = Nμ*P, где N — число спинов в единичном объеме, P — ядерная поляризация, а также понятие псевдомагнитной индукции: В* = (H + 4πM*).

Хорошо известно, что в настоящем магнетизме внутри магнитного вещества поле, которое «видит» нейтрон, т. е. то, которое определяет его ларморовскую частоту, не Я, а индукция В (в тридцатых годах у Блоха с Дираком по этому поводу был великий спор; прав оказался Дирак). Было соблазнительно размышлять о том, что по аналогии внутри поляризованной ядерной мишени ларморовская частота нейтрона Ωn пропорциональна псевдомагнитной индукции В* = (Я + 4πM*) = μ(Н + H*), где Я* = 4πM* = 4πNμ*P является псевдомагнитным полем, которое «видит» нейтроны. Ларморовская частота нейтрона Ωn смещена по сравнению со своим значением в вакууме на ΔΩn = γnH*, где γn — гиромагнитная постоянная нейтрона.

Я недолго размышлял об этой гипотезе, потому что ее оказалось очень легко доказать, пользуясь псевдопотенциалом Ферми, понятием, которое он ввел много лет тому назад (все в этой истории было псевдо-, но вполне реальным).

Оставалось доказать экспериментально физическую сущность псевдомагнитного поля, которого пока еще никто не видел. Для поляризованной протонной мишени это выглядело просто. Псевдомагнитный момент протона μ*(1Н) огромен и псевдомагнитное поле Я* внутри водородной мишени будет порядка двух-трех тесла (!) для стопроцентной поляризации.

Экспериментальная установка была стандартной. Пучок нейтронов со стопроцентной поляризацией проходит через поляризованную протонную мишень, которая погружена в жидкий гелий внутри криостата. При выходе из мишени нейтроны падают на анализатор, который настроен так, чтобы допускать до нейтронного счетчика лишь нейтроны с поляризацией, обратной поляризации пучка. Счетчик, понятно, считает очень мало нейтронов. Радиочастотная катушка, намотанная вокруг образца, создает внутри мишени вращающееся поле с амплитудой Н1. Если частота вращающегося поля равна ларморовской частоте нейтрона внутри мишени, поле резонансно поворачивает спины нейтронов и анализатор допускает к счетчику большее число нейтронов. Скорость счета увеличивается. По значению резонансной частоты, при которой это происходит, можно определить смещение ΔΩn измерить псевдомагнитное поле Я*.

Все это проще простого, но возникла экспериментальная трудность, преодоление которой сделало эксперимент гораздо более интересным и, осмелюсь сказать, более красивым. Чтобы перевернуть спин нейтрона в одну микросекунду (таково было время пролета нейтрона через мишень), требовалось вращающееся поле с амплитудой в сто гауссов, что было немыслимо с катушкой, купающейся в жидком гелии.

Постараюсь объяснить, как мы выбрались из этого тупика, что нелегко описать словами. Да простит мне читатель, которому объяснение покажется тарабарщиной. Накладываем на образец вращающееся радиочастотное поле с амплитудой Н1 в один гаусс (вместо требуемых ста). Частота его сдвинута на небольшую величину Δ (соответствующую сотне гауссов) от ларморовской частоты протона (не нейтрона!!). Эффективное поле Hе, которое тогда «видят» протоны, наклонено по отношению к главному внешнему полю Я на малый угол β = (Н1/Δ) ≈ (1/100). Вдоль эффективного поля Нe ориентируется ядерная намагниченность M, а также ядерная псевдонамагниченность М* и псевдомагнитное поле Я* = 4πМ*, которое в нашем эксперименте было приблизительно 10000 гауссов! Ввиду малой величины угла β продольная слагающая вектора Я* практически не меняется, но Я* теперь имеет поперечную слагающую, равную Н*1 ≈ βH* и (1/100)×10000 ≈ 100 гауссов. Таким образом, мы одарили псевдомагнитное поле поперечной вращающейся слагающей Я* величиной 100 гауссов, как и требовалось.

«Ужель загадку разрешили? Ужели слово найдено?» — Нет, не совсем. Правда, мы создали вращающееся псевдомагнитное поле с амплитудой 100 гауссов, но вращается оно с частотой, близкой к ларморовской частоте протона, которая в вакууме отличается от нейтронной множителем порядка — (3/2), т. е. не только величиной, но и знаком. Что делать? Протон (как и все остальные ядерные спины мишени) «видит» только внешнее магнитное поле Я, а нейтрон видит вдобавок и продольное псевдомагнитное поле Я*. Припомним пир в «Макбете», где призрак Банко один видит Макбет. Легко подогнать внешнее поле Я так, чтобы ларморовская частота нейтрона Ωn = γn(H + H*) равнялась внутри образца ларморовской частоте протона Ωp = γnH.

Все сработало! Спин нейтрона под действием резонансного вращающегося псевдомагнитного поля Н*1 в 100 гауссов переворачивается, как миленький. Физическая реальность псевдомагнитного поля была доказана с блеском. Добавлю, что я не знаю другого примера, где чисто ядерное поле модулируется как электромагнитное. Забавно, не правда ли?

Кроме доказательства физической реальности псевдомагнитного поля, этот акробатический эксперимент позволил измерить, конечно, μ* протона, но это представляло мало интереса, так как он был давно известен. Для измерения μ* ядер других изотопов этот метод не подходит, потому что он основан именно на очень большой величине μ* протона.

Я придумал вариант, основанный на методе, который Рамзи предложил много лет тому назад для очень точного измерения магнитных взаимодействий в двухатомных молекулах и с помощью которого он по сей день тщетно пытается «насыпать щепотку соли на хвост» неуловимого электрического дипольного момента нейтрона. Не стану здесь излагать мой вариант, который подходит для всех μ*, даже самых малых. Его изложение можно найти в нашей монографии с Гольдманом. Скажу только, что мы измерили этим способом μ* приблизительно для сотни изотопов. Результатами наших измерений широко пользуются нейтронщики всего мира.