Про специфіку спін-спінових взаємодій

Валерій Еткін

Вивчення ядерного магнітного резонансу (ЯМР) в конденсованих середовищах привело в середині ХХ століття до виявлення спін-спінового взаємодії, що поширює упорядковану орієнтацію власних моментів кількості руху одних ядерних частинок на інші, приводячи до встановлення єдиної (з урахуванням прецесії) їх орієнтації [1,2]. Досліди, проведені на ряді конденсованих речовин (наприклад, на кристалах фтористого літію LiF) [1], виявили відому самостійність спін-спінового взаємодії. Вона проявляється в збереження впорядкованості ядерних спинів і величини ядерної намагніченості М протягом досить тривалого часу після видалення кристала з сильного зовнішнього поля Н, а також в незрівнянно більш швидкого встановлення взаємної орієнтації ядерних спинів (за час, багато менше часу спін-граткових релаксації). Самим дивним у цих дослідах було те, що перебування системи в слабкому магнітному полі Землі не призводило до істотного порушення впорядкованості спінової системи. При цьому взаємна орієнтація спинів зберігалася і після внесення системи в протилежно орієнтований зовнішнє поле. Особливо показовими в цьому відношенні були досить складні і витончені досліди з «змішання» двох протилежно поляризованих спінових систем (7Li і 19F) кристала LiF [2]. Ці експерименти підтвердили (з прийнятною точністю) справедливість закону збереження моменту кількості руху при спін - спінової взаємодії. Все це свідчило, здавалося б, про наявність у конденсованих середовищ додаткової міри свободи, пов'язаної з наявністю ядерних спинів і властивим їм особливим видом взаємодії. Однак результати цих експериментів були витлумачені як наслідок встановлення теплової рівноваги між підсистемами ядерних спинів, а також між ними і кристалічної гратами. При цьому спінові підсистемам була приписана певна абсолютна температура Т, що приймає негативне значення в випадку інверсної заселеності їх енергетичних рівнів, тобто для станів, у яких переважна кількість «часток» (ядерних спинів) на противагу звичайного стану знаходиться на найвищому енергетичному рівні по відношенню до зовнішнього магнітного поля [1 ... 5]. Спочатку термодинамічна інтерпретація результатів згаданих експериментів нагадувала «виклад як би правил гри в спінові температуру »[4]. В усякому разі, поняття спінової температури (як позитивною, так і негативною) було введено в теорію ядерного магнетизму без якого-небудь докази як якесь витончене уявлення, що дозволяє «Перекинути місток» між ядерним магнетизмом і термодинаміки. Однак у міру вивчення наслідків такого подання ставало все більш зрозумілим, що поняття негативної абсолютної температури (що лежить вище рівня Т =