§ 10. Спиновый захват (спин-локинг). Время спин-решеточной релаксации во вращающейся системе координат. Медленное движение

Как обсуждалось выше и как показано на рис. 6.7, спиновая температура во вращающейся системе координат устанавливается за промежуток времени от произвольного начального состояния без обмена энергией с решеткой. Но это только квазиравновесное значение спиновой температуры, так как в

течение последующего времени она изменяется из-за энергетического обмена спиновой системы с решеткой. При этом М достигает значения Мравн, (6.91а) (рис. 6.7). В течение этого процесса намагниченность М направлена вдоль Таким образом, если в резонансе намагниченность М первоначально ориентирована вдоль то затухание М будет происходить не с постоянной времени, определяемой обратным значением ширины линии, а с постоянной значение которой определяется энергетическим обменом с решеткой.

Рис. 6.7. Иерархия времен после включения РЧ-поля скачком. За время во вращающейся системе координат устанавливается спиновая температура, величина которой определяется средним значением энергии Е непосредственно после включения . В течение более длительного времени происходит энергетический обмен спиновой системы с решеткой. Спиновая температура во вращающейся системе координат изменяется, соответственно изменяя М.

Поскольку мы предположили, что анализ обоих процессов можно проводить на основе гипотезы спиновой температуры Редфилда

В принципе время можно значительно увеличить за счет понижения температуры. В этом случае после установления спиновой температуры во вращающейся системе координат спустя интервал времени намагниченность, параллельная полю будет затухать очень медленно с большой постоянной времени . Величина может достигать нескольких секунд в металлах и даже часов в изоляторах.

Хотя мы и можем в течение времени удерживать намагниченность в направлении при включенном поле однако, если скачком убрать Ни то намагниченность М будет затухать до нуля за время порядка обратной ширины линии.

Иначе говоря, уравнения Блоха с обычным значением дают грубое количественное описание происходящего процесса.

При рассмотрении теории Редфилда полезно вернуться к ситуации, возникающей в лабораторной системе координат без переменных полей. Мы видели, что путем медленного изменения поля до нуля и обратно намагниченность предварительно намагниченной системы можно вернуть к исходному значению. Когда , то и но М полностью восстанавливается при последующем увеличении поля до если эти изменения происходят без энергетического обмена с решеткой. Порядок в нулевом поле сохраняется благодаря предпочтительному выстраиванию ядерных моментов вдоль направлений локальных полей.

Существование порядка в локальных полях является основой методики наблюдения медленных движений [12—14], гораздо более медленных, чем те, которые удается обнаружить по минимуму или по сужению линии. Рассмотрим ядро 1, ближайшим соседом которого является ядро 2. Предположим, что ядро 2 скачком перемещается как в процессе диффузии. Продолжительность такого скачка порядка , т. е. значительно меньше периода ядерной прецессии. Поэтому локальное поле на ядре 1, создаваемое ядром 2, резко меняется как по величине, так и по направлению. Ориентация спина ядра 1 относительно локального поля становится в некоторой степени случайной величиной. Если среднее время жизни данного ядерного состояния между скачками обозначить через то выстраивание ядер в локальных полях соседей, т. е. упорядоченное состояние, может существовать лишь в течение времени тт. Таким образом, чтобы провести весь цикл размагничивание — намагничивание с полным восстановлением первоначальной намагниченности, можно оставаться в нулевом поле лишь в течение интервала времени, меньшего тт. Конечно, если даже скачки не происходят, любой процесс спин-решеточной релаксации изменяет энтропию спиновой системы так, что в любом случае следует полностью завершить цикл за время, меньшее Отсюда следуют выводы:

1) Цикл размагничивание — намагничивание можно использовать для контроля в нулевом поле.

2) Скачки ядер можно обнаружить при условии Аналогичные представления применимы для описания экспериментов по АРВСК. Анализ воспроизводится непосредственно (Сликтёр и Эйлион [12, 13]). Поскольку скачки ядер вызывают внезапные изменения дипольной энергии, то они дают вклад в равный

где величина, учитывающая тот факт, что значение локального поля после скачка не является совершенно случайным по отношению к его значению до скачка. Эту величину можно вычислить. Ее значение зависит от природы скачков (по вакансиям, междоузлиям и т. Коэффициент 2 в (6.92) возникает потому, что локальное поле определяется взаимодействием между парой ядер, каждое из которых может перемещаться.

Таким образом, простые измерения дают возможность анализировать атомное движение или молекулярную переориентацию, когда время сравнимо с временем обусловленным другими причинами.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)