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

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.

Я помню, как мы все молча стояли, уставившись на счетчик (кроме того, кто проводил АРВС). Вдруг появился прыжок в скрости счета — знак того, за что боролись четыре года. Увидеть то, что ожидали, там, где ожидали, таким, как ожидали, — парадоксально, так и чудесный сюрприз! Стоит ли добавлять, что после этого эксперименты по дифракции нейтронов на LiH продолжались, улучшались, сравнивались с предсказаниями теории и представлялись на многочисленных международных конференциях. Больше про LiH не буду говорить — боюсь истощить терпение тех читателей, которых я еще не потерял по дороге.

Прибавлю лишь одно замечание в связи с наблюдением дальнего спинового порядка с помощью нейтронной дифракции. Здесь есть забавная симметрия или, скорее, антисимметрия между ЯМП и электронным дальним порядком (ЭДП). Я не раз настаивал на том, что электронный антиферромагнетизм является результатом обменного взаимодействия между спинами, которое по сути немагнитно. Однако наблюдение его с помощью нейтронной дифракции обусловлено магнитным взаимодействием между магнитными моментами нейтронов и электронов. В итоге это немагнитное явление, наблюдаемое магнитными средствами. С ЯМП совсем наоборот. Это чисто магнитное явление, обусловленное магнитным взаимодействием ядерных магнитных моментов. Но наблюдение его с помощью нейтронной дифракции обусловлено чисто ядерным немагнитным (псевдомагнитным, как я его назвал) взаимодействием ядерных и нейтронных спинов. В итоге это магнитное явление, наблюдаемое немагнитными средствами. «Ну, так что?», — могут спросить. — «Да ничего, забавно, вот и все».*

Несмотря на риск совершенно обескуражить многострадального читателя, расскажу еще про три явления: упорядоченные вращающиеся фазы, ядерный псевдомагнетизм и еще одно, которое слезно прошу не спутать с предыдущим и которое я назвал псевдоядерным магнетизмом.

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.

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).