Псевдоядерный магнетизм

Псевдоядерный магнетизм

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.

Еще анизотропнее связь между компонентами спинов I  двух ядер ¹⁶⁹Tm.  Связь между поперечными компонентами сильнее, чем связь между продольными в (25)² раз! Этот факт имеет интересные следствия. Приложим к образцу магнитное поле вдоль продольной оси. Если энтропия ядерных спинов столь низка, что после АРВС может появиться дальний порядок, то можно заранее утверждать, что порядок будет поперечным, т. е. вращающимся. Именно это привлекло меня в фосфате туллия, веществе, с которым я познакомился в 1981 году в лаборатории моего друга Блини в Оксфорде. Я привез с собой домой несколько образцов вместе с лучшим студентом Блини, который сделался на время членом нашей команды. Эксперимент, который, как я предполагал, должен был занять два месяца, продлился два года по разным причинам, только некоторые из которых можно было предвидеть заранее, но закончился результатом, полностью согласующимся с моей первоначальной догадкой.

Почему я называю это явление псевдоядерным магнетизмом? — А потому, что магнитный момент μ″,  индуцированный ядерным моментом μ,  не ядерный, а электронный.  Это не пустые слова: плотность намагниченности, которая соответствует моменту μ″,  не сосредоточена в ядре, как у «настоящего» ядерного момента μ,  а распределена по всему иону. В принципе, хотя вряд ли на практике, в сумме p′ = (μ + μ″)  возможно было бы отделить с помощью нейтронной дифракции часть μ″,  размазанную по иону, от настоящего ядерного момента μ,  сосредоточенного в ядре. Момент μ″  безусловно магнитный,  но не ядерный.  Поэтому я и настаиваю педантично на названии псевдоядерный  магнетизм. Раньше, в связи с нейтронной дифракцией, мы встретились с ядерным псевдомагнетизмом,  наоборот — явлением ядерным,  но не магнитным.

Существует еще один вид ядерного дальнего порядка, который иногда называют магнитным. Это совсем неправильно, так как ничего магнитного в нем нет. Этот порядок наблюдался впервые в семидесятых годах в твердом гелии ³Hе.  Связь между спинами, которая ответственна за этот порядок, другой природы: это обменная квантовая связь между спинами  ядер гелия. Не буду здесь больше говорить об этом, но сделаю следующее замечание. Сила этой связи превышает на три или четыре порядка силу дипольной магнитной связи, которая обсуждалась раньше, и критическая температура для перехода в упорядоченное состояние на столько же выше. Эту температуру, порядка одного или двух милликельвинов (не микрокельвинов, как раньше), можно достичь прямым путем в современных криостатах, не нуждаясь в динамической поляризации и в следующем за ней адиабатическом размагничивании.