Принудительная ориентация спинов

on 30 May 2010.

Некоторые свойства веществ, наблюдаемые, измеряемые в нашем мире так зависят от свойств электронов, что изучение и применение этих свойств сулит заманчивые перспективы. Например, в области создания мощных магнитов или измерительной техники.

Если магнитный диполь находится в однородном магнитном поле, то на него действует момент сил, но результирующая сила равна нулю. Поле стремится лишь повернуть магнитные диполи. Таким образом, магнитные диполи в однородном магнитном поле принудительно переориентируются. Беспорядочно расположенные магнитные моменты  атомов займут два преимущественных положения: согласно полю и против него.

 

 

 

 

Причем ориентация против поля - это неустойчивое положение.

Если диполь находится в неоднородном поле, то на его полюса действуют различные силы и результирующая отлична от нуля. В таком поле траектория диполя будет зависеть от направления его дипольного момента. При согласном с внешним полем направлении он будет втягиваться в область с большим градиентом поля, при противоположном – выталкиваться. И опять-так, магнитик будет стремиться перевернуться, занять согласно положение и стремиться втянуться в область максимального поля.

Вот один из опытов.

Источником атомного пучка служила маленькая электропечь, в которую помещалось вещество, подлежащее изучению. Тонкий луч атомов выделялся с помощью диафрагм, пропускался через сильно неоднородное магнитное поле, попадал на пластинку и осаждался на ней. Тонкий штрих (след атомарного пучка в отсутствие магнитного поля) при наличии мощного неоднородного магнитного поля расщеплялся.

Литий, серебро, атомарный водород всегда дают двойной след.

Это многократно проверенные опыты Штерна и Герлаха.

Г.А. Зисман, О.М. Тодес. Курс общей физики, т.3, «Наука», Москва, 1972, с.325.

Помещая ферромагнетик в сильное магнитное поле, удается насильно сориентировать домены, области спонтанной намагниченности, в одном направлении. Опыты показывают, что поворот доменов можно даже услышать с помощью усилителя, как хруст, потрескивание.

«Мягкие» ферромагнетики после снятия поля теряют намагниченность, «жесткие» сохраняют ее длительное время. «Мягкие» используют для роторов, статоров, трансформаторов, «жесткие» для производства постоянных магнитов. Нагрев выше некоторой температуры приводит к разориентированию доменов и потере намагниченности (точка Кюри).

Итак, магнитно нейтральный ферромагнетик, в котором нескомпенсированные спины атомов иногда объединяются в домены, становится мощным магнитом, если поместить его во внешнее магнитное поле. Добиться насыщения, принудительной ориентации всех спинов атомов, по всей видимости, удастся только лишь при максимально пониженной температуре, иначе тепловое движение неизбежно разупорядочит систему.

Учитывая, что лишь малая часть спинов была сориентирована принудительно по полю, можно сделать вывод, что удастся еще поднять намагниченность ферромагнетика, если формировать его из предварительно отсортированных по Штерну и Герлаху атомов, то есть атомов с однонаправленным спином.

Осаждая слой за слоем атомы на подложку, атомов, спин которых заранее и заведомо сориентирован только в одном направлении, можно создать супермагнит. Причем подходят оба луча атомов, как с согласным с внешним полем спином, так и с противоположным. Главное, разделить их, а создать из них магнит, уже второе дело.

Как правило, спин атомов определяется нескомпенсированным спином последних валентных электронов на внешней орбите.

Но электроны (свободные) можно получить и без атомов. Луч электронов в кинескопе пусть будет примером.

Предположим, что нам удалось так отсортировать беспорядочно сориентированные спины электронов, что в луче есть только, например, спины направленные только в одну сторону. Предположим также, что луч представляет из себя достаточно монохроматичный поток, то есть электроны имеют приблизительно одну скорость.

Какие эффекты мы можем наблюдать именно в таком луче, причем эти эффекты будут напрочь отсутствовать в обычном луче (или выглядеть очень слабыми на фоне других эффектов?).

Предположительно, магнитное поле такого луча должно резко возрасти. Причем, никакой расчет по Био-Савара-Лапласу не подойдет. Это не просто ток. Это ток упорядоченных по спину частиц. И этот собственный магнитный момент внесет очень большой вклад в общее поле луча.

А каким образом можно разделить по спину летящие заряженные частицы?

Есть несколько способов.

Предположим, мы воздействовали на луч заряженных частиц электрическим полем. Причем полем плоского конденсатора. Как магнитные диполи электроны должны  принять одно из двух положений (см. ст. «Ориентация диполей в магнитном поле» или ст. Электрический генератор). Причем одно из этих положений очень устойчиво, а второе нестабильно. Следовательно, при достаточной длине пути в электрическом поле и при некоторых неоднородностях поля все большее число электронов будет опрокидываться и принимать согласное расположение.

Так как электроны отклоняются в электрическом поле, то для встряхивания их, чтобы вызвать односпиновую ориентацию, предположительно, необходимо иметь ряд конденсаторов, причем разнозаряженных. Сориентировавшись при пролете в одном конденсаторе, они будут вынуждены переориентироваться в другом, захватывая и вовлекая в общий процесс другие электроны. Кроме того, плоскости  полей конденсаторов не должны совпадать.

Не трубки, как в кинескопе используются для воздействия на луч (это не приведет к упорядочиванию спинов), а конденсаторы, которые в кинескопе являются элементами отклоняющей систем. Смещение луча, полученное на одном конденсаторе, компенсируется смещением при пролете в другом.

Итак, большое число магнитных диполей (пусть еще не до общего числа сориентированных) летит в пространстве (магнитный диполь - это электрон со своим спином). Если теперь воздействовать на них магнитным неоднородным полем, направленным перпендикулярно скорости, то должно произойти разделение луча. И этот луч надо немедленно выводить из магнитного поля, потому что он начинает представлять собой магнит.

Этот "магнит" будет очень чутко реагировать на внешние магнитные поля и на присутствие ферромагнитных масс.

Луч в собственном магнитном поле, кроме всего, еще будет изгибаться: ведь магнитное поле его направлено поперек движения. А если разделение прошло хорошо, то собственное поле может стать так велико, что луч начнет загибаться в спираль.

В некоторых опытах с электронными лучами наблюдается так называемая самофокусировка луча. Луч останавливается и отбрасывается назад. Возможно, в ходе опытов произошла спонтанная (неожидаемая, непредвиденная) ориентация спинов, появление за счет этого поперечного магнитного поля и закупорка луча.

Таким образом, сепарация веществ по методу Штерна-Герлаха может позволить создавать магниты улучшенных характеристик.

Применение отсепарированного по спинам электронного луча возможно как в области измерительной техники, так в области конструирования новых магнитов.