Время вспять или физик, физик где ты был - Абрагам А.
Скачать (прямая ссылка):
Эта гипотеза никогда не была доказана теоретически, и в 1957 году я посвятил свои усилия ее экспериментальному доказательству. Я придумал для этого опыт, который и осуществил с помощью американского физика Уорена Проктора (Warren 206
Во рослые годы
Proctor), бывшего ученика Блоха, работавшего у меня два года. (Да, на этот раз я решил "испачкать ручки", ведь я сам был инженером-радиотехником из Сюпелека.) Принцип эксперимента следующий.
Эксперимент А. Ядерные спины образца (кристалла) приводят в состояние теплового равновесия с решеткой при температуре 300 К в сильном магнитном поле, где они приобретают намагниченность, измеряемую с помощью ЯМР. Затем образец размагничивают до нулевого поля за время, короткое по сравнению с Ti, но длинное по сравнению с Тг- Можно предположить, что спины находятся все время в состоянии внутреннего равновесия, но изолированы от решетки. Если снова поднять поле до начального значения, можно наблюдать возвращение ядерной намагниченности к начальному значению (если учесть малые потери). Это совместимо с гипотезой спиновой температуры, но не является доказательством этой гипотезы. В частности, техникой ЯМР ничего нельзя узнать о состоянии спинов в нулевом поле. Если предположить, что систему спинов можно в каждый момент времени описать спиновой температурой, ее значение в нулевом поле легко подсчитать, записав условие сохранения энтропии спинов во время адиабатического размагничивания. Предположим для наглядности, что эта подсчитанная температура равняется 2 К (такова она была в нашем эксперименте).
Эксперимент В. Образец охлаждают в нулевом поле в крио-сгате с температурой 2Kb течение времени, гораздо большего, чем Ti. В этом случае мы знаем, что спины находятся в состоянии равновесия при настоящей термодинамической температуре 2 К. Затем адиабатически поднимают магнитное поле до того же значения, что в начале эксперимента А, и измеряют с помощью ЯМР ядерную намагниченность. Если она равна той, что наблюдалась в эксперименте А, правильность гипотезы спиновой температуры доказана. Так оно и оказалось. Этот опыт изменил отношение многих физиков к понятию спиновой температуры, введенному впервые в электронный магнетизм двумя голландскими физиками Казимиром и дю Пре (du Pre), и в ядерный - Паундом и Парселлом.
Думаю, именно этот опыт положил конец враждебному отношению Блоха к понятию спиновой температуры. Что касается Парселла, который еще со времени своих первых экспериментов с Паундом был убежден в его правильности, про наш опыт с Проктором он сказал: "Дитя родилось давно, а сегодня вы принесли брачное свидетельство".
Спиновые системы имеют интересную особенность: спектр их энергии ограничен сверху (в отличие, напримеп. от систем с кине- Ядерный магнетизм и я (Br орал а олотая пятилетка)
207
тической энергией). Это дает возможность создать эти системы в состоянии отрицательной температуры. При отрицательной температуре вероятность найти систему на данном уровне энергии тем больше, чем выше энергия этого уровня. Очевидно, что состояние с отрицательной температурой бессмысленно для "нормальной" системы, т. е. такой, энергетический спектр которой * не имеет верхней границы. Энергия такой системы в подобном состоянии была бы бесконечна.
Наоборот, для спиновых систем такие состояния не только мыслимы, но и создавались, и подробно изучались. Важно понять, что система с отрицательной температурой "горячее" любой системы с положительной температурой; если ее поместить в тепловой контакт с "нормальной" системой (которая может иметь только положительную температуру), она будет необратимо передавать энергию "нормальной" системе и достигнет состояния с бесконечной температурой, где все ее уровни одинаково населены, т.е. состояния максимального беспорядка. Только после неизбежного перехода через полный хаос сможет она достигнуть положительной температуры и прийти в тепловое равновесие с "нормальной" системой. Ниже, в главе "Запад и Восток", будет рассказано о неожиданном применении понятия отрицательных температур. * Д и н а м и ч с с к а я ядерная поляризация в твердых телах
Перехожу к третьему явлению, обнаруженному в эти годы в нашей лаборатории, а именно к динамической ядерной поляризации (или ДЯП) в твердых телах. Ее разные проявления и приложения занимали нас почти четверть века.
В своей работе Оверхаузер очень настаивал на том, что электроны проводимости в металлах, насыщение резонанса которых приводило к громадному увеличению ядерной поляризации, подчинялись так называемой статистике Ферми, подробности которой я здесь опущу. В моей женевской работе я показал, что эта предпосылка была излишней, и предсказал возможность ДЯП в жидкостях, впоследствии доказанной в нашей лаборатории (о чем рассказано выше). Хорошо известно, что спины парамагнитных примесей, растворенных в жидкостях, где они играют роль спинов электронов проводимости, статистике Ферми не подчиняются. Не я один настаивал на необязательности статистики Ферми для эффекта Оверхаузера; Блох это тоже заметил и сделал заключение, что эффект Оверхаузера должен быть наблюдаем и в твердых диэлектриках. Но это заключение было в общем ошибочным, как я показал в своей женевской работе. Тщательный анализ роли электронных спинов в ядерной релаксации позволил обнаружить 208
