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

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.

Чтобы покончить с псевдомагнетизмом, я должен сообщить, что через некоторое время после нашего опыта с вращающимся псевдомагнитным полем я обнаружил, не без немалого неудовольствия (как сказал бы немец), что на несколько лет раньше два советских теоретика из Дубны — Подгорецкий и Барышевский — предсказали теоретически существование нейтронной прецессии в поляризованной мишени. Их подход во многом отличался от моего, но результат, конечно, был тот же. Хотя Дубна располагала тогда лучшими нейтронными пучками в СССР, а также сильной группой, работающей над поляризованными мишенями, их статья не содержала ни одного реалистичного указания, как обнаружить прецессию, и экспериментов в Дубне не было проведено. Это свидетельствует о качестве контактов в СССР между экспериментаторами и теоретиками. Хочу надеяться, что они тоже перестраиваются.

Хочу еще поворчать на советских теоретиков. Они справедливо считаются лучшими в мире, но у них есть раздражающая привычка подсчитывать и предсказывать невероятное число разных явлений, мало заботясь о порядке их величины и еще менее о способе их обнаружения. Когда через несколько лет кто-нибудь, кто (как я) никогда не слыхал об их предсказаниях, обнаруживает экспериментально такое явление, они заявляют о своем приоритете. Их публикации — это пари на будущее.

Бдительный читатель может мне заметить, что я сделал то же самое в моей публикации 1960 года, и не будет неправ. В защиту могу лишь сказать, что десять лет спустя эксперименты все-таки сделали мы, а не кто-нибудь другой.

Я подразумеваю под этим названием следующее явление. Некоторые парамагнитные ионы, особенно в семействе редкоземельных элементов, не имеют электронного магнитного момента на своем основном уровне, единственном, который населен при низких температурах. Но в присутствии магнитного поля ионы поляризуются, т. е. приобретают существенный магнитный момент. Это поле может быть внешним или, что нас здесь больше интересует, может быть создано магнитным ядерным моментом μ этого же иона. Под действием этого поля электронные оболочки иона приобретают магнитный момент μ″, который часто намного больше μ. В эксперименте ЯМР тогда наблюдается векторная сумма μ′ = (μ + μ″). Каждая слагающая вектора μ′ вдоль одной из главных осей монокристаллического образца пропорциональна слагающей ядерного момента μ вдоль той же оси, но коэффициенты пропорциональности обыкновенно различны для разных осей. Связь между векторами μ′ и μ, а значит также между μ′ и ядерным спином I анизотропна и может быть записана в виде μ′ = TI, где Т — тензор. Эта анизотропия выражена иногда очень резко. Например, в фосфате туллия 169Тm отношение поперечных компонент тензора Т к продольным равно 25.