История лазера - Марио Бертолотти

Явления магнитного резонанса в твердых телах

Если мы теперь рассмотрим твердотельный материал, то в нем разные магнитные моменты ядер или электронов могут в присутствии внешнего магнитного поля сложиться, давая полный магнитный момент (это получается в веществах, называемых парамагнитными материалами), что приводит к сильному намагничиванию материала.

Вопрос о том, как быстро средний магнитный момент парамагнитного вещества откликается на быстрое изменение магнитного поля, действующего на это вещество, уже рассматривался в 1920-х гг. В. Ленцом (1888—1957), П. Эренфестом, Г. Брейтом и Камерлинг-Оннесом, а 1930-х гг. большое внимание было уделено тому, как магнитная система достигает теплового равновесия.

Шведский физик И. Вэллер (1898—1991) в своей знаменитой работе, которая была опубликована в 1932 г., уже различал два главных механизма, благодаря которым система достигает равновесия после ее возмущения (явления релаксации). Это взаимодействие спинов или ядер друг с другом, которое мы будем называть спин-спиновое взаимодействие, и механизм взаимодействия спинов с атомами, которые образуют твердое тело (кристаллическая решетка), который мы будем называть спин-решеточным взаимодействием. Если взаимодействия спинов друг с другом или с решеткой не существует, тогда приложение внешнего поля производит только прецессионное движение индивидуальных спинов, не зависящее друг от друга, и без коллективного движения. Наоборот, эффект взаимодействия спинов друг с другом и с решеткой и наличие внешнего магнитного поля производит энергию обмена между спинами и между спинами и решеткой, и поскольку атомы с разной ориентацией их спинов могут относиться к разным энергетическим уровням, получается возмущение уровней. Мы можем применить формулу Больцмана, используя статистическую механику, согласно которой состояния с меньшей энергией являются более вероятными. После времени релаксации (которое тем больше, чем слабее взаимодействия), наступает термическое равновесие, при котором вероятность найти ядро или атом со спинами, параллельными полю (состояние с наинизшей энергией), больше, чем вероятность найти его с антипараллельными спинами.

Важность концепции спин-решеточной релаксации была снова поднята в 1937 г. Г. Казимиром (1909-2000) и Ф. Дюпре. Они указали, что, рассматривая взаимодействие между спинами и решеткой, следует иметь в виду, что электроны, будучи легкими и быстрыми, взаимодействуют друг с другом быстрее и сильнее. В результате спиновое равновесие при некоторой температуре достигается за очень короткое время около десятой доли миллисекунды (время спин-спиновой релаксации). Затем система спинов начинает взаимодействовать с более массивной решеткой, которая вообще имеет отличную от системы электронных спинов температуру, и равновесие достигается за более продолжительное время, типичное в миллисекунду или даже большее (время спин-решеточной релаксации). Различие времен спин-спиновой и спин-решеточной релаксаций позволяет рассматривать кристалл в магнитном поле, как бы разделенным, на две подсистемы: одна, образованная спинами, другая — решеткой, причем каждая со своей собственной температурой.

В то время возбуждение магнитных уровней производилось с целью изучить уровни атомов и спины ядер. Голландский физик С. Дж. Гортер рассмотрел в конце 1930-х — начале 1940-х гг. возможность того, что прецессия ядерных магнитных моментов во внешнем поле может проявиться в макроскопических эффектах. В 1936 г. он попытался обнаружить ядерный резонанс в твердых телах путем поиска увеличения температуры и показал свою интуицию, связав отрицательные результаты своего эксперимента с продолжительным временем спин-решеточной релаксации (в его случае большей, чем сотая секунды). Он обсуждал свои эксперименты с Раби в 1937 г.

Магнитный резонанс

Первые успешные эксперименты по обнаружению магнитного резонанса в веществе за счет электромагнитных эффектов были выполнены независимо Ф. Блохом в Стэнфорде, Е. М. Парселлом в Гарварде (США) и Е. К. Завойским в СССР. В этих экспериментах наблюдалась переориентация магнитных моментов ядер или электронов в твердых телах при взаимодействии с электромагнитной волной. Эта методика получила название магнитного резонанса.

Чтобы наблюдать этот эффект нужны два магнитных поля: одно постоянное поле для получения энергетических состояний, а другое осциллирующее поле, которое наводит переходы между этими состояниями. Таким образом, происходит поглощение или испускание излучения, которое производит изменение распределения энергии по уровням. Это явление, в некотором смысле, аналогично переходам электронов между их орбитами, в результате которых получаются спектры в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, наблюдаемых в атомах. Но оно значительно сложнее. В случае спектров атомов уровни, между которыми происходят переходы, уже существуют, поскольку это энергетические уровня электронов в атоме. В магнитном случае нужно сначала образовать энергетические уровни с помощью некоторого внешнего поля, а уж затем можно изучать переходы.

Блох и Парселл получили за свои исследования Нобелевскую премию в 1952 г. Они пришли к магнитному резонансу двумя разными путями, которые, однако, были, по существу, сходными. Завойский был первым, кто наблюдал переходы между уровнями тонкой структуры основного состояния в парамагнитных солях (парамагнитный электронный резонанс).

Феликс Блох родился в Цюрихе, 3 октября 1905 г. Он поступил в Федеральный институт технологии (учебное заведение, в котором учился Эйнштейн) в 1924 г. После одного года обучения на инженера он решил вместо этого изучать физику и перевелся на отделение физики и математики того же института. В течение последующих лет он занимался под руководством профессоров: П. Дебая (1884—1966), Г. Вейля (1885—1955) и Э. Шрёдингера. Первоначально интересовался теоретической физикой. После того, как Шрёдингер оставил Цюрих осенью 1927 г., он продолжил свои занятия с В. Гейзенбергом в университете Лейпцига, где летом 1928 г. получил докторскую степень. Его диссертация была посвящена квантовой механике электронов в кристаллах и теории проводимости в металлах, в которой он установил теоретическую основу для современного рассмотрения электронов в твердых телах на основе зонной теории. Впоследствии он работал с Паули, Крамерсом, Гейзенбергом, Бором и Ферми.

Блох покинул Германию в 1933 г. после прихода Гитлера к власти. Годом позже он получил позицию в Стэнфордском университете (Калифорния, США). Там он начал экспериментальные исследования, которые проводил вплоть до своей отставки в 1971 г. В 1936 г. он опубликовал работу, в которой показал, что магнитный момент свободных нейтронов можно измерить путем наблюдения рассеяния их на железе. В течение войны он был привлечен на ранних стадиях работы в атомном проекте в Стэнфордском университете и в Лос-Аламосе, а позднее участвовал в работах по противодействию радарам в Гарвардском университете. Благодаря этой последней работе он познакомился с самыми современными достижениями в электронике. Это, в сочетании с его ранней работой по магнитному моменту нейтрона, позволило ему предложить новый подход к исследованию ядерных моментов в твердых телах. Немедленно после возвращения в Стэнфорд он начал изучать ядерную индукцию, как позднее назвал ее.

Блох также занимал важные научные посты. В 1954 г. он стал первым директором ЦЕРНа в Женеве. Он скончался в Цюрихе 10 сентября 1983 г.

Эдвард Миле Парселл родился в штате Иллинойс (США) 30 августа 1912 г. В 1929 г. он поступил в университет Пурду штата Индиана, который закончил в 1933 г. по специальности радиоинженера. Его интересы уже обратились к физике и выдающийся профессор Ларк-Горовиц, которому во многом обязана физика твердого тела в США, позволил ему принимать участия в экспериментальных исследованиях по дифракции электронов. После года, проведенного в Германии в Высшей технической школе в Карлсруе, где он занимался под руководством профессора В. Вейзеля, поступил в Гарвардский университет, где и получил докторскую степень. После работы в течение двух лет преподавателем физики в Гарварде поступил в Лабораторию излучения в MIT, которая была организована для проведения военных исследований и разработок микроволновых радаров. В этой лаборатории он стал руководителем Группы фундаментальных исследований, которая занималась освоением новых диапазонов частот и разработкой новых микроволновых устройств. Открытие ядерного резонансного поглощения, как он его назвал, было сделано сразу же после окончания войны и примерно в то время, когда Парселл возвратился в Гарвард на должность доцента физики. Он стал профессором физики в 1949 г. и скончался в 1997 г.