§ 2. Особенности двойного резонанса типа Оверхаузера — Паунда

Первый эксперимент по двойному резонансу выполнил Паунд [1] на ядрах . Он хотел доказать, что механизмом спин-решеточной релаксации является квадрупольное взаимодействие с флюктуирующим во времени градиентом электрического поля. Исходя из этого, Паунд вычислил вероятности термически индуцированных переходов между различными спиновыми состояниями. Резонансная линия в кристалле расщепляется аксиально симметричным градиентом электрического поля на три отдельное линии поглощения,

соответствующие переходам между уровнями с различными значениями Он предсказал и экспериментально подтвердил, что насыщение одного любого перехода (например, ) должно приводить к измененню равновесных населенностей уровней всех состояний. Поэтому при насыщении перехода интенсивность перехода увеличивалась в 5/3 раза но сравнению с ее нормальным значением. Ниже в связи с эффектом Оверхаузера мы обсудим, почему возникают такие изменения интенсивности. Серией экспериментов, в которых насыщались различные переходы и одновременно наблюдались другие, Паунд подтвердил, что механизмом спин-решеточной релаксации является квадрупольное взаимодействие.

Второй эксперимент по двойному резонансу выполнил Карвер [2]. Эксперимент был основан на предсказании [3], которое сделал Оверхаузер, еще будучи студентом университета в Беркли. Оверхаузер теоретически показал, что если насыщать спиновый резонанс электронов проводимости в металле, то поляризация ядерных спинов может возрасти в 1000 раз по сравнению с ее значением при тепловом равновесии в отсутствие электронного насыщения. (См. хороший обзор [4] методов динамической поляризации ядер, написанный одним из ее пионеров.) Грубо говоря, Оверхаузер предсказал поляризацию ядер, которую они имели бы, если бы вместо больцмаиовского фактора ядерного спина использовался больцмановский фактор электронного спина. Может быть, современному читателю трудно понять глубокий скептицизм, с которым было встречено предложение Оверхаузера со стороны специалистов по резонансу, ибо в настоящее время существует много схем динамической поляризации и многие другие важные методики основываются на этом предложении. Однако в 1953 г. было широко распространено мнение (хотя и короткоживущее), что схема ядерной поляризации Оверхаузера нарушает второй закон термодинамики. Эксперимент Карвера явился не только первой демонстрацией динамической поляризации ядер, но, что, по-видимому, более важно, подтвердил правильность революционной идеи Оверхаузера, которая изменила ход научной мысли о резонансе. Эта идея стимулировала последующее открытие других схем динамической поляризации. По-видимому, еще важнее было то, что идея Оверхаузера привела к исследованию других эффектов, связанных с накачкой переходов и двойным резонансом.

На рис. 7.1 показан первый эффект динамической поляризации ядер в металлическом литии. Для насыщения спинового резонанса электронов проводимости в этом эксперименте поле Н должно иметь величину от 5 до Кроме того, чтобы все ядра поляризовались при электронном насыщении,

необходимо также иметь частицы металла размером меньше глубины скин-слоя на частоте спннового резонанса электронов. Карвер использовал соленоид, создающий постоянное поле около . В этом поле частота спинового резонанса электронов была 84 МГц, а частота ядерного резонанса лития

Рис. 7.1. (см. скан) Осциллограммы, полученные в эксперименте Карвера по динамической поляризации ядер в металлическом литии, подтверждающие эффект Оверхаузера. Осциллограммы представляют сигналы ядерного поглощения в зависимости от напряженности магнитного ноля. Ширина развертки поля около нормальный ядерный резонанс на частоте (сигнал теряется в шумах аппаратуры), б — сигнал , увеличенный благодаря насыщению электронного спинового резонанса, в — сигнал протонного резонанса при тех же экспериментальных условиях от образца глицерина, содержащего в 8 раз больше протонов, чем образец ядер Сравнение сигналов позволило заключить, что поляризация ядер увеличилась примерно в 100 раз.

При такой низкой частоте сигнал ядерного резонанса был слишком слаб и непосредственно не наблюдался (рис. 7.1, а), однако при включении генератора, насыщающего спиновый резонанс электронов, сразу становился выше уровня шумов. Степень поляризации Карвер прокалибровал по сигналу протонного резонанса от образца глицерина (осциллограмма на рис. 7.1, в). Карвер показал также, что динамическая поляризация возможна не только в металле, повторив эксперимент на растворе натрия в жидком аммиаке. Атомы натрия в таких растворах ионизируются, выделяя свободные электроны, резонанс которых легко насыщается.

Принципы, лежащие в основе эффекта Оверхаузера, фактически идентичны тем, на которых базируется эксперимент Паунда. Этот эффект в значительной мере стимулировал развитие методов двойного резонанса, в частности, потому, что Оверхаузер сделал остроумное и смелое предсказание, которое многие талантливые физики посчитали неправильным, а также потому, что это предсказание представляло интерес для значительно большего круга ученых, а не только для специалистов по магнитному резонансу. Однако не следует сомневаться, что даже без идей Оверхаузера изобретение двойного резонанса Паундом привело бы к развитию методов двойного резонанса, хотя Паунд и не распознал вначале возможность получения большой поляризации ядер по своей схеме, если ее применить к другим системам. В связи с этим для обсуждаемого ниже класса экспериментов, включая эксперименты других ученых, выбрано название «эффект Оверхаузера — Паунда» без всякой попытки принизить роль последующих новых идей. Новые идеи привели к дальнейшим успехам и свидетельствуют об удивительной интуиции и поразительной самобытности их авторов. С педагогической точки зрения важно показать их взаимосвязь.