Den første observation af den nukleare Barnett-effekt

Den elektroniske Barnett-effekt, første gang observeret af Samuel Barnett i 1915, er magnetiseringen af ​​et uladet legeme, når det drejes om sin lange akse. Dette er forårsaget af en kobling mellem vinkelmomentet af de elektroniske spins og rotationen af ​​stangen.

Ved at bruge en anden metode end den, der blev brugt af Barnett, to forskere ved NYU observerede en alternativ version af denne effekt kaldet den nukleare Barnett-effekt, som er resultatet af magnetisering af protoner i stedet for elektroner. Deres studie, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve ( PRL ), førte til den første eksperimentelle observation af denne effekt.

"Jeg var kandidatstuderende ved NYU, hvor en gruppe kolleger var involveret i et projekt relateret til hjernebilleddannelse, "Mohsen Arabgol, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. Den grundlæggende idé bag projektet var at polarisere hjernemolekylerne ved at inducere rotation ved hjælp af Barnett-effekten og derefter anvende MRI-billeddannelse. Jeg blev interesseret og besluttede at arbejde med påvisningen af ​​den nukleare Barnett-effekt som min ph.d. afhandling."

I første omgang, Arabgol og hans vejleder Tycho Sleator ønskede at drive rotation af kroppen, der blev brugt i deres eksperimenter, ved at overføre lysets kredsløbsvinkelmomentum ind i prøven. De indså hurtigt, at denne teknik ikke rigtig virkede, og besluttede derfor at anvende en mere lovende metode ved at bruge en mekanisk spinner til at drive rotation.

"Den mekaniske spinner gjorde det muligt for os at spinde en større prøve af vand op til hastigheder tæt på 15, 000 omdrejninger i sekundet, og endelig, vi var i stand til at demonstrere den nukleare Barnett-effekt, " sagde Arabgol.

I deres eksperimenter, Arabgol og Sleator brugte en kommerciel spinnerturbine til at rotere en prøve af vand op til meget høje hastigheder. De brugte også en ikke-standard kernemagnetisk resonans (NMR) maskine, der er designet til at fungere ved lave frekvenser. Dette er i skarp kontrast til kommercielle NMR-systemer, som arbejder i høj frekvens.

"I vores eksperiment, vi ledte efter en ændring i NMR-signalet, der var omvendt proportional med NMR-frekvensen, " sagde Arabgol. "Så ironisk nok, vi ønskede et lavfrekvent NMR-apparat, og vi skulle selv designe og samle delene. For at sætte dette i tal, vi endte med at arbejde med et apparat, der fungerede på mindre end 1 MHz, og vi begyndte at søge efter et par (1 til 3) procents ændring i signalet. Hvis vi ville bruge et standardapparat, vi var nødt til at søge efter en ændring i signalet få størrelsesordener mindre, hvilket er umuligt på grund af de mange forskellige lyde."

NMR-teknikken anvendt af Arabgol og Sleator, kaldet CPMG-Add, fungerer ved at behandle en række meget svage signaler (eller ekkoer). Det resulterende signal var stærkt nok til let at blive opdaget af forskernes opsætning, til det punkt, at de opnåede rotationshastigheder ændrede det væsentligt.

"Så vidt jeg kan sige, skønheden ved dette eksperiment var ikke at finde en ekstraordinær teknik eller at bruge et nyt apparat, men at finde den meget snævre kombination af mange parametre i eksperimentet og køre hele eksperimentet med det højeste niveau af omhu og bevidsthed om de forskellige tilgængelige lyde, " sagde Arabgol. "Vores mest interessante observation var, at det er, faktisk, muligt at magnetisere protoner blot ved at rotere en prøve. Det var ret spændende, da den elektroniske pendant til denne effekt var blevet observeret for næsten 100 år siden, og vi var ikke sikre på, om det var muligt at gøre det samme for protoner, især i betragtning af at den samme effekt er næsten 700 gange mindre i protoner sammenlignet med elektroner."

Arabgol og Sleator var de første til at magnetisere protoner, opnå en pålidelig observation af den nukleare Barnett-effekt. Et andet interessant aspekt af deres undersøgelse er, at den magnetisering, de observerede, ikke har noget at gøre med magnetiske felter. Dette er særligt bemærkelsesværdigt, da forskere hidtil typisk har magnetiseret objekter ved at påføre dem et magnetfelt. Undersøgelsen udført af Arabgol og Sleator, imidlertid, beviser, at der er, faktisk, andre mekanismer, der kan inducere magnetisering uden nødvendigvis at skabe et magnetfelt.

Fra et teoretisk synspunkt, disse observationer forbedrer den nuværende forståelse af forholdet mellem magnetisering og rotation. Fra et praktisk synspunkt, de kunne hjælpe med udviklingen af ​​ultra-lavfrekvente NMR-systemer ved at introducere en ny teknik til at inducere magnetisering, som ikke kræver magneter.

"Vi udførte vores eksperiment for væsker, " sagde Arabgol. "Et meget logisk næste skridt ville være at validere resultaterne for faste stoffer. At måle Barnett-effekten for faste stoffer ville være meget sværere ved at bruge den samme teknik. Som vi forklarede før, effekten er så lille, at kun en meget snæver kombination af parametre til sidst virkede, og desværre, det er næsten umuligt at finde en sådan kombination for faste stoffer. Det er bemærkelsesværdigt, imidlertid, at vores blot er én tilgang til at tackle dette problem. Andre teknikker (f.eks. SQUID-baserede metoder) kan være mere lovende."

© 2019 Science X Network