Время вспять

В области динамической ядерной поляризации (ДЯП) есть одна забавная вещица, которую я придумал во время пребывания в Оксфорде зимой 1962–1963 года. Вот что это такое. Если быстро вращать в магнитном поле кристалл, погруженный в жидкий гелий, через пару минут ядерная поляризация, скажем у протонов кристалла, увеличивается в сто раз или больше по сравнению с ее величиной при тепловом равновесии. Забавно, не правда ли? Почему? — «Элементарно, дорогой Ватсон»: кристалл легирован очень анизотропными парамагнитными примесями. Когда магнитное поле параллельно известной оси А кристалла, их лар-морова частота сравнима с частотой свободного электрона, т. е. на три порядка выше, чем у протона. Благодаря своей быстрой релаксации спины примесей быстро достигают своей равновесной поляризации, которая тоже на три порядка выше, чем у протонов. Вдоль другой оси В, ортогональной оси к А, ларморова частота примесей равняется нулю (в редкоземельной группе есть несколько таких парамагнитных ионов).

При вращении кристалла от А к В найдется промежуточная ориентация (фактически гораздо ближе к В, чем к А), где ядерные и электронные частоты равны и где между электронами и ядрами происходят флип-флопы, сохраняющие энергию и уравнивающие их поляризацию. Если бы было одинаковое число электронов и ядер, после одного поворота ядра были бы значительно поляризованы. Но так как электронов гораздо меньше, после первого поворота электроны почти совсем деполяризованы, а ядра лишь немного поляризованы. Кристалл снова приводят в положение А, где электроны опять быстро поляризуются, а поляризация протонов, чья релаксация очень медленна, не меняется. Затем приводят кристалл в положение В и т. д.

Благоприятным является тот факт, что электронная релаксация, очень быстрая вдоль оси А, где электроны с ядрами «не разговаривают», гораздо медленнее около В, где они «общаются» между собой. Поляризация накачивается, как насосом. Конечно, поступая как бережливая дама, которая махала головой вместо веера, вместо кристалла можно вращать магнитное поле.

Невиль Робинсон (Nevile Robinson), экспериментатор из Кларендона (пожалуй, ловчее самого Соломона), стибрив у своего сына мотор от игрушки, смастерил за два дня нечто, что я не решаюсь назвать аппаратом, с помощью которого он продемонстрировал правильность моей идеи, получив увеличение протонной поляризации в несколько раз. Мы решили отложить публикацию до сооружения менее кустарного аппарата. Но в Кларендоне гостил тогда американский физик, сотрудник Джефриза, который, услышав о нашей работе (трудно было о ней там не услышать — мы рассказывали о ней всякому, кто не отказывался слушать), сообщил нам, что он только что получил письмо от Джефриза с той же самой идеей, что тот еще не поставил эксперимента, но послал для публикации письмо с описанием принципа в журнал низких температур «Cryogenics». Нельзя было терять ни минуты с публикацией. К счастью, главным редактором «Cryogenics» был специалист по низким температурам Курт Мендельсон (Kurt Mendelssohn), чей кабинет был рядом с моей комнатой в Кларендоне. Я отнес ему написанную за ночь статью, и она появилась в том же номере «Cryogenics», что и статья Джефриза.

Позже высокие протонные поляризации, до 80 %, были получены бывшим учеником Джефриза с помощью маленькой турбинки для быстрого вращения кристалла. Главное преимущество метода «магического кристалла» для поляризованных мишеней заключалось в том, что, так как в нем не использовался резонанс, он не требовал очень однородного магнитного поля. Но более серьезным недостатком была невозможность менять знак поляризации часто и быстро, как в методе «солид-эффекта».

«Магический кристалл» никогда не смог вытеснить «солид-эффекта», но по-моему трудно найти лучший пример из забавной физики.*

Одной из причин моего приглашения в Оксфорд было отсутствие Блини, уехавшего в саббатический отпуск. Я дал серию лекций об ЭПР в полупроводниках и снова погрузился в атмосферу парамагнетизма переходных элементов, с которой я был так хорошо знаком, когда работал в Оксфорде над диссертацией, и затем снова, когда заинтересовался эффектом Мёссбауэра. Классическая монографиия Ван Флека, посвященная этим проблемам, была написана тридцать лет тому назад, задолго до открытия ЭПР. Мне казалось, что весь материал, экспериментальный и теоретический, накопленный за двадцать лет в работах Блини и его сотрудников и в теоретических работах Прайса, Стивенса, Элиотта и других, в том числе и моих, заслуживал, чтобы ему была посвящена монография. Я поговорил об этом с Блини, которому понравилась мысль написать со мной такую монографию. Результатом нашего сотрудничества стал увесистый трактат более чем в восемьсот страниц о парамагнитном резонансе соединений переходных элементов от железа до актиноидов, включая группы редкоземельных элементов, палладия и платины.