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

Я набросился на таблицы ядерных данных, в которых, к своему разочарованию, нашел псевдомагнитные моменты (вернее, амплитуды, из которых я их подсчитал) только четырех нуклидов: протона, дейтрона, кобальта и ванадия. Причина такой скудности данных заключалась в том, что в рассеянии нейтронов на неполяризованной мишени величина μ* входит в квадрате и измерима только, если она велика. Это именно так для четырех предыдущих ядер. Что касается 19F, то таблицы давали для абсолютной величины μ*(19F) только верхнюю границу, в 200 раз большую настоящего μ(19F), и без знака. Эта граница не исключала возможности наблюдать ЯМП во фтористом кальции. Но чтобы проверить это, необходимо было осуществить брэгговскую дифракцию поляризованных нейтронов на поляризованной мишени из фтористого кальция.**

В Сакле имеется атомный реактор, предназначенный для научных исследований. В то время группа нейтронщиков прилежно изучала там антиферромагнетизм (электронный, конечно) с помощью нейтронной дифракции. Моя проблема заключалась в том, чтобы уговорить их забросить все, что они делали, и вместе с моей лабораторией приняться за эксперимент, в то время весьма новый для них (да и для всех) и посвященный нейтронной дифракции поляризованных нейтронов на динамически поляризованной мишени фтористого кальция. Расскажу, может быть слишком подробно, как мне удалось их убедить. (Напомню, что свои директорские полномочия я сложил с себя пару лет назад и что я мог рассчитывать лишь на свое красноречие.) Это оказалось не так просто.

Я объяснил нейтронщикам, как важно было продемонстрировать неопровержимо для всего мира физическую реальность ядерного антиферромагнетизма, пользуясь нейтронной дифракцией, которая, в конце концов, была их хлебом насущным. Но до того, как пускаться в это, несомненно, сложное и длительное предприятие, необходимо было осуществить краткий предварительный эксперимент и убедиться, что величина μ* для фтора достаточно велика для этого. Мое красноречие убедило их не сразу, и они задали мне следующий, весьма разумный вопрос: «Что если, осуществив ваш „краткий“ эксперимент (который, на наш взгляд, не такой уж краткий), мы обнаружим, что величина μ*(19F) слишком мала для изучения ядерного антиферромагнетизма во фтористом калии; будут ли наши труды потрачены попусту или результат измерения сможет заинтересовать, по крайней мере, ядерных теоретиков?» — «Не знаю», — ответил я честно, — «но постараюсь узнать».

Я обратился к главе наших ядерных теоретиков, большому любителю ядерных волновых функций, и задал ему тот же вопрос: «Интересует ли их величина μ*(19F)». — «Не очень», — был его ответ. «Точность, с которой мы можем оценить ваши не превышает 20 %, а этого мало для проверки качества разных ядерных моделей, которыми мы пользуемся». — «Жаль», — сказал честный посредник и добавил, — «наши нейтронщики заканчивают постановку измерения и им, конечно, очень хотелось бы сравнить результаты своего эксперимента с теоретическими предсказаниями». — «Ну, тогда совсем другое дело. Если они на самом деле проводят эксперимент, мы это, конечно, подсчитаем. У меня есть новый аспирант, и я дам ему эту тему для диссертации».

Я вернулся к нейтронщикам и сообщил им, что теоретики страшно заинтересованы результатом их измерения и уже доверили теоретическую разработку этого вопроса аспиранту как тему для диссертации. «Ну, тогда совсем другое дело; если они действительно над этим работают, мы возьмемся за эксперимент». Читатель может сделать свое собственное заключение из этой маленькой истории. Мое личное заключение: сближение между разными областями науки — вещь прекрасная, если его проводить разумно.

Несколько слов о результатах. Теоретическое предсказание было μ*(19F)fa — 140μ(19F). Нейтронщики получили μ*(19F) и -15μ(19F), что было слишком мало для изучения ЯМП во фтористом калии с помощью нейтронной дифракции. Замечу еще, что огромная переоценка теоретиков, которые слегка оскандалились, нам помогла, так как в противном случае мы, вероятно, и не взялись бы за эксперимент. А мы извлекли из него опыт, как оперировать в совокупности поляризованными нейтронами и поляризованными мишенями, который оказался чрезвычайно полезным в дальнейшем. Так началось наше длительное, дружеское и плодотворное сотрудничество с нейтронщиками. Тем же методом мы измерили μ*(7Li) и измерили бы и другие, если бы я не придумал другой способ для измерения ядерных μ*, намного лучший, о котором расскажу позже.*

В 1974 году мы решили предпринять поляризацию ядерных спинов водорода и лития в гидриде лития LiH с целью произвести в нем ЯМП, наблюдаемый с помощью нейтронной дифракции. На это ушло четыре года! Лишь весной 1978 года мы в первый раз увидели ядерный антиферромагнитный брэгговский пик. Не хочу здесь слишком распространяться насчет бесконечных трудностей, которые нам пришлось преодолеть: запастись монокристаллическими образцами LiH; создать в них парамагнитные дефекты, облучая их быстрыми электронами из электронного ускорителя и устанавливая на опыте оптимальные условия для облучения (энергию электронов и температуру мишени).

Пришлось спроектировать и сконструировать сверхпроводящий соленоид с полем 5,5 Тесла и криостат для температуры ниже 0,1 K (не теперь, когда все эта техника стала стандартной, а пятнадцать лет тому назад; и тот и другой должны были пропускать входящие и выходящие нейтроны, не деполяризуя их); держатель для образца, позволяющий менять его ориентацию извне; рожок для облучения образца электромагнитной двухмиллиметровой волной; радиоэлектронику, способную производить синхронное АРВС обеих спиновых систем 1H и 7Li; наконец, постоянное автоматизированное измерение их поляризаций. До «тяжелой» науки было еще далеко (не считая, конечно, реактора), но от наших кустарных экспериментов в первые годы лаборатории тоже было далеко. Добавлю еще, что время поляризации было порядка сорока восьми часов (это для тех, кто не умеет считать, два дня и две ночи), в то время как длительность упорядоченного ядерного состоянияпосле АРВС не превышала часа.

Но «терпение и труд все перетрут», и в один прекрасный день весны 1978 года мы сделали следующий эксперимент. Счетчик для регистрации нейтронов, дифрагированных от образца, был поставлен туда, где ожидался антиферромагнитный брэгговский пик. Ядра LiH были поляризованы, протоны до 90 % и ядра 7Li до 65 %. Счетчик считал нейтроны фона; других не ожидалось, так как образец еще не был антиферромагнитен. Произвели АРВС, на что ушло тридцать секунд. Произошел прыжок в скорости счета нейтронов, что соответствовало появлению ожидаемого брэгтовского пика. Затем скорость счета (а значит, и пик) медленно спадали с постоянной времени порядка часа вследствие спин-решеточной релаксации до тех пор, пока энтропия спинов не достигла критического значения, выше которого исчезает антиферромагнитный порядок.