Ядерный магнетизм и я (Вторая золотая пятилетка)

Ядерный магнетизм и я

(Вторая золотая пятилетка)

Лучше поздно, чем никогда.

Теория и эксперимент. — *Динамическая ядерная поляризация в жидкостях. — Доктор Франкенштейн. — *Магнитометр. — *Спиновая температура. — *Динамическая ядерная поляризация в твердых телах. — Библия

Этот пятилетний промежуток был, пожалуй, самым плодотворным в моей жизни. Я, конечно, не сделал никаких великих открытий, чего, очевидно, мне не было суждено, но у меня остались неплохие воспоминания кое о чем из того, что я тогда сделал. В общем три достижения я записал бы себе в кредит. Начиная с нуля, мне удалось создать лабораторию, которая пять лет спустя была известна специалистам магнитного резонанса всего мира, я открыл два или три интересных явления и написал книгу «Принципы ядерного магнетизма», изданную в 1961 году, которая сразу имела замечательный успех, на которой воспитывались поколения научных работников и в которую заглядывают и сегодня, через тридцать лет после того, как я ее написал.

Все три достижения связаны между собой: если бы у меня не было определенных идей насчет этих двух или трех явлений, я, может быть, не боролся бы за собственную лабораторию; без идей и без талантливых сотрудников эти явления не были бы открыты, по крайней мере мною; без идей и без лаборатории я, наверное, не написал бы книги, и, если бы я не взялся ее писать, несколько весьма интересных экспериментов, подсказанных писанием книги, не были бы сделаны.

Я забыл еще один, четвертый момент: вряд ли жизнь была когда-нибудь так занимательна, как в течение этих пяти лет. Исходной причиной этого успеха (предполагая, что успех был) была моя разносторонняя тренировка по ЭПР в Оксфорде и по ЯМР в Гарварде. К этому можно добавить все те знания, которые я беспорядочно приобретал в разных областях в течение многих лет. Многое из того, что казалось ненужным, оказалось полезным. Я не раз убеждался, что тому, кто стоит на гребне, разделяющем две долины, и смотрит вниз, происходящее в долинах виднее, чем тому, кто пашет на дне одной из долин. Мне кажется, этим объясняется успех нашей с Паундом работы, посвященной возмущенным угловым корреляциям, находившейся на границе между ядерной физикой и ядерным магнетизмом.

Теоретик (потому что хоть и руководитель лаборатории, но все-таки я теоретик), имеющий в своем распоряжении лабораторию, в которой он может претворять в практику свои идеи, воистину счастливчик. При условии, что его лаборатория принадлежит к легкой науке (по-английски говорят большая и малая наука, Big Science and Little Science, но, потому ли что я бывший артиллерист, я предпочитаю выражение легкая и тяжелая), появившаяся вдруг идея может быть испытана очень скоро, иногда за неделю, иногда в тот же день. В первой главе «Русское детство» было уже сказано о «божественном сюрпризе увидать явление, предсказанное теорией, там, где оно было предсказано, и таковым, как предсказано». При проверке предсказанного может появиться неожиданное, и найти ему объяснение — еще более захватывающее дело.

*Я помню один из первых экспериментов, которые мы сделали с Комбриссоном, наблюдая ЭПР мышьяка в кремнии (в том же кремнии, и даже в том же самом образце, одолженном мне Арни, на котором он сделал свое «открытие» стопроцентной ядерной поляризации). Так как ядерный спин мышьяка I = (3/2), сверхтонкая структура ЭПР должна была представлять собой (2I + 1) = 4 линии одинаковой интенсивности аналогично спектру меди, открытому Пенроузом на восемь лет раннее. Мы действительно увидели четыре линии, но те две, что в середине, были почти в два раза выше боковых, что было очень странным. Мне пришло в голову, что спины мышьяка не находились в состоянии теплового равновесия, и я придумал механизм «косвенной» релаксации, благодаря которому вначале внутренние линии растут быстрее внешних. Если это действительно было так, то через достаточно длинный промежуток времени все четыре линии должны были прийти в равновесие и оказаться одинаковой высоты. Прождав четыре часа, мы с радостью убедились в правильности моей гипотезы. Гипотеза в те времена была смелой, потому что такие длинные времена релаксации в ЭПР были тогда неизвестны.*

Я остановился на этом забавном, но маловажном явлении потому, что это был пример ситуации, с которой я встречался впервые — непосредственное участие в эксперименте.

В поисках объяснения неожиданного явления встречаются разные «подводные камни». Объяснение может быть остроумным и соответствовать всем фактам и все же быть неверным. Например, как было рассказано в главе «Между Оксфордом и Кембриджем», Жолио истолковал треки позитронов в своей камере как треки электронов, движущихся в обратном направлении. Гораздо чаще встречается ситуация, когда новое явление на самом деле, как сказал генерал де Голль, «вульгарно и второстепенно» или, как более красочно выразился Раби, просто «швайнерай» (Schweinerei). В нашей лаборатории я вывесил плакат: «Перед тем как выбросить квантовую механику в мусорное ведро, проверим еще раз все предохранители». Сколько раз бывало, когда после мобилизации всей нашей эрудиции и находчивости в поисках рационального объяснения, мы убеждались, что имели дело с «швайнерай». Но бывает и наоборот, хотя гораздо реже. В тридцатых годах физики-ядерщики в Беркли избавились от паразитного раздражающего треска своих счетчиков с помощью тщательного экранирования, только чтобы убедиться, прочитав публикацию супругов Жолио, что они закрыли глаза (вернее, уши) и прозевали открытие искусственной радиоактивности.

Я должен теперь хоть сделать намек на те два или три явления, открытием которых хвастался выше. Более подробно об этом сказано в «Reflections of a Physicist» и гораздо более подробно в «Принципах ядерного магнетизма». Однако читатель вообще может пропустить следующие параграфы, хоть я и постарался «встретить его на полпути».

*Динамическая ядерная поляризация в жидкостях

В предыдущей главе я говорил, что ядерная поляризация повышается с понижением температуры и наоборот. Чего я не сказал, так это того, что эти изменения не моментальны. Чтобы ядерные спины приобрели свою равновесную тепловую поляризацию, они должны быть некоторым образом «информированы» о температуре остальных степеней свободы образца, которые принято называть «решеткой». Механизм, осуществляющий эту информацию, называется спин-решеточной релаксацией, а постоянная, определяющая длительность этого процесса, есть время спин-решеточной релаксации, или Т₁. Здесь я попрошу разрешения у читателя засорить «гордый ваш язык» варварскими терминами с английского. Единственное, что я могу сказать в свою защиту, это то, что наш гордый французский язык ими засорен не менее. Итак, благословясь, начнем. Переворот спина мы назовем флип. Одновременный переворот двух взаимодействующих спинов назовем флип-флоп: если они переворачиваются в противоположные направления; флип-флип, если они переворачиваются в одно и то же направление; флип-cтоп, если только один из них переворачивается. Наконец, я нахально введу глаголы флипать, флопать, флип-флопать и флип-флипать (как хлопать), смысл которых очевиден.

Под влиянием спин-решеточной релаксации спины флипают. В каждом таком флипе спин получает от решетки (или отдает ей) энергию, которая в частотных единицах равна резонансной, или, как говорят, ларморовской частоте спина ?_n, пропорциональной его магнитному моменту.

Равновесная ядерная поляризация определена отношением тепловой энергии kТ к энергии обмена с решеткой во время ядерного флипа. Эта энергия обычно равна ядерной ларморовской частоте ?_n, но может быть отличной от нее, как это происходит в эффекте Оверхаузера. Все, что сказано до сих пор, применимо и к электронным спинам с той разницей, что магнитный момент электрона больше ядерного на три или четыре порядка, а значит, и энергия ?_n электронного флипа соответственно превышает энергию ядерного флипа в том же отношении. Еще надо запомнить, что электронная спин-решеточная релаксация на много порядков быстрее, чем ядерная. Теперь можно понять механизм динамической поляризации в жидкостях.

Предположим сначала для простоты, что связь между ядерными спинами жидкости, скажем, протонными и электронными спинами растворенных в ней парамагнитных примесей, чисто скалярная, т. е. разрешает между ними только флип-флопы. Релаксация ядерных спинов, которую производит их связь с электронными спинами, — двухэтапный процесс. На первом этапе ядерный спин флип-флопает с электронным спином, что требует энергии ?_e — ?_n. На втором этапе электронный спин сейчас же флипает обратно, сам по себе, в силу своей сверхскорой релаксациии, и возвращает решетке энергию ?_e. Окончательный баланс обмена энергии с решеткой во время одного ядерного флипа равняется ?_n, как и полагается.

Напомним теперь, что когда говорят о насыщении спинового резонанса внешним резонансным радиочастотным полем, это означает, что вынужденные флипы, производимые этим полем, происходят гораздо скорее, чем те, которые производит спин-решеточная релаксация. Отсюда следует, что в эффекте Оверхаузера, где насыщается электронный резонанс, электронный спин, только что флип-флопнувший с ядерным спином, возвращается обратно не из-за своей релаксации, а гонимый насыщающим полем, и не успевает вернуть решетке энергию ?_e. Таким образом, во втором этапе решетка не участвует и баланс обмена энергией с решеткой при ядерном флипе не ?_n, а (?_e—?_n)??_e>>?_n. Вследствие этого ядерная поляризация принимает значение, которое она имела бы, если бы ядерный момент равнялся электронному.

Это и утверждал Оверхаузер. Если бы он сказал своей аудитории то, что сказано здесь, для чего десяти минут вполне хватает, может быть, его поняли бы и поверили. Но это опять «карлик (или, вернее, карлики, потому что несколько человек занимались упрощением его изложения) на плечах гиганта».

На самом деле в растворах парамагнитных примесей в жидкостях, скажем в воде, ситуация усложнена тем, что взаимодействие между ядерными и электронными спинами не скалярное, как предполагалось выше, а дипольное. Такое взаимодействие существует между двумя маленькими магнитами. Можно показать, что оно разрешает не только флип-флопы между спинами, но еще (с разной вероятностью) и флип-флипы и флип-стопы. Я подсчитал все эти возможности и показал, что в этом случае максимальное увеличение ядерной поляризации эффектом Оверхаузера не (?_e/?_n), как при скалярной связи, а — (?_e/2?_n), т. е. в два раза меньше и с обратным знаком.

Для развлечения слушателей моих лекций или докладов на конференциях (но никогда письменно) я иногда позволял себе называть этот вариант с поляризацией обратного знака эффектом «Унтерхаузера» (Underhauser effect) вместо Оверхаузера. Каково же было мое удивление, когда несколько лет спустя в библиографии очень серьезной монографии об ЭПР я обнаружил среди авторов, работающих над динамической поляризацией, фамилию Унтерхаузера! Мое удивление не знало границ, когда я понял, что автор монографии цитировал мифического Унтерхаузера, ссылаясь на него как на соавтора некоторых моих работ. Неужели, как доктор Франкенштейн, я создал чудовище?! Я никогда не пытался выяснить эту тайну; на основании того, что я знаю об авторе монографии, совершенно не способном не только выдумать, но и понять какую-либо шутку, я уверен, что это искренняя ошибка (но которую было бы жаль исправлять).

Оставалось проверить опытом все эти предсказания, качественно (так как динамическая поляризация в жидкостях, предсказанная в моей женевской работе, еще никогда не наблюдалась) и количественно. Но прежде всего надо было отыскать подходящую парамагнитную примесь, растворимую в воде. Листая каталог со свойствами свободных радикалов, я напал на вещество, которое мне показалось подходящим. Его длинное название было дисульфонат и еще несколько слов, которые здесь не стоит выписывать. ЭПР спектр этого дисульфоната состоит из трех узких линий сверхтонкой структуры, обусловленной взаимодействием электронного спина свободного радикала с ядерным спином I = 1 (2I + 1 = 3) атома азота, присутствующего в дисульфонате. Существование трех линий являлось недостатком. Максимальное увеличение протонной поляризации в воде, по «Унтерхаузеру», (-?_e/2?_n) = — (?_e/2?_n)? -330, но, так как насыщалась только одна из трех ЭПР-линий дисульфоната, это число надо было разделить на три, т. е. можно было ожидать увеличения не выше 110.

Экспериментальные трудности, связанные с одновременным насыщением одной из ЭПР-линий дисульфоната и наблюдением ЯМР на протонах, были преодолены, и мы наблюдали, как и было предсказано, изменение знака протонного сигнала и его увеличение приблизительно в сто раз. Все это прекрасно, но, кроме чисто интеллектуального удовольствия, которое, конечно, не следует презирать, на что это годилось? Как я сказал в прошлой главе, слабая «естественная» поляризация в несколько миллионных в полях в несколько килогауссов при комнатной температуре достаточна для большинства применений ЯМР, и усложнения, связанные с техникой двойного резонанса, были бы слишком большой ценой за увеличение поляризации даже в сто раз.

*Магнитометр

Измерение резонансом магнитного поля Земли — совсем другое дело. Его интенсивность порядка 0,5 гаусса, и соответствующая протонная поляризация менее одной миллиардной, что делает протонный сигнал ЯМР ненаблюдаемым. Примесь дисульфоната могла бы увеличить поляризацию в сто раз, что все равно было бы недостаточным для наблюдения. Но однажды во время прогулки после ужина меня осенила мысль, которая не дала мне спать всю ночь. Ядерный спин азота, который нас раздражал потому, что снижал в три раза максимальную ядерную поляризацию, в полях порядка земного был Даром Божьим. Поясню. Отношение (?_e/?_n) ларморовских частот электрона и протона равняется отношению их магнитных моментов (?_e/?_n) при условии, что на оба момента действует одно и то же магнитное поле. Но в магнитном поле Земли это не так: протоны воды действительно «видят» только поле Земли в 0,5 гаусса, но электронный спин дисульфоната «видит», кроме того, магнитное поле, производимое спином «своего» азота, порядка двадцати гауссов. Им можно пренебречь в больших полях, но оно в сорок раз выше земного поля. Из этого следует, что максимальное «унтерхаузерское» увеличение протонной поляризации с помощью дисульфоната в поле Земли — не 110, а несколько тысяч.

Конечно, я не удовольствовался подобным расчетом на пальцах, а пересчитал все, как следует, за эту ночь раз десять, таким чудесным это казалось. Я с трудом дождался утра, чтобы все рассказать Соломону, который сразу понял суть дела и принялся за реализацию магнитометра с невероятной энергией. Магнитометр, основанный на принципе, выработанном в нашей лаборатории, показал себя в течение многих лет самым точным и самым выносливым в тяжелых условиях эксплуатации. Среди тех, кого интересует быстрое и точное измерение магнитного поля Земли, встречаются геофизики, археологи и разведчики нефти, а также личности, связанные с Министерством обороны, которых почему-то интересует обнаружение металлических тел под поверхностью океанов.

Мы построили лабораторный прототип, после чего по настоянию нобелевского лауреата Луи Нееля, который был связан с морским министерством в Гренобле, учредили специальную лабораторию для разработки прибора, способного работать в полевых условиях. Немало времени у нас заняло оспаривание наших патентов представителями фирмы Вариан, которые защищали интересы моего хорошего друга Феликса Блоха. Но, как говорится, дружба дружбой, а денежки врозь (денежки не мои, конечно, а КАЭ, которому принадлежали все наши патенты).

Блох после своего открытия ЯМР запатентовал невероятное число применений ЯМР, в том числе и примешивание парамагнитных веществ к диамагнитным жидкостям, чтобы укоротить время ядерной релаксации. Мне удалось доказать, что суть патентов Блоха, несмотря на внешнее сходство, была отличной от наших. До Оверхаузера о динамической поляризации не помышляли ни Блох, ни я.

Венцом этого дела была премия, которую в конце 1958 года мне вручил сам генерал де Голль и половину которой я затем разделил между Соломоном и Комбриссоном. Во время приема после вручения награды он беседовал несколько минут с Сюзан и со мной. Должен признаться, что он очаровал меня и еще больше Сюзан простотой и обходительностью своего обращения, несмотря на то, что обстоятельства его возвращения к власти семь месяцев назад меня далеко не очаровывали. Перед вручением награды ко мне подошел очень приятный господин (я подозреваю, но не смею уверять, что это был директор кабинета де Голля Помпиду, о котором в то время никто не слыхал) и сообщил мне, что не успели приготовить чек, который генерал должен был мне вручить, и поэтому в конверте, который он мне передаст, будет только поздравление правительства. Чек я получу через несколько дней. Может быть, он опасался, что я устрою генералу скандал, когда открою конверт?

*Спиновая температура

Перехожу теперь к другому понятию, которое меня преследовало все эти годы и должно было значительно изменить мышление специалистов по ядерному магнетизму в ближайшие десятилетия. Понятие спиновой температуры возникло из того факта, что в твердых телах ядерные спины связаны друг с другом дипольными магнитными взаимодействиями гораздо сильнее, чем с решеткой. Гипотеза (так как это только гипотеза) спиновой температуры — это предположение, что спины находятся в состоянии внутреннего равновесия, достигнутого за время Т2, которое гораздо короче времени спин-решеточной релаксации Т₁, и что это состояние может быть описано внутренней температурой, так называемой спиновой температурой, которая может быть совсем отличной от температуры решетки.

Эта гипотеза никогда не была доказана теоретически, и в 1957 году я посвятил свои усилия ее экспериментальному доказательству. Я придумал для этого опыт, который и осуществил с помощью американского физика Уорена Проктора (Warren Proctor), бывшего ученика Блоха, работавшего у меня два года. (Да, на этот раз я решил «испачкать ручки», ведь я сам был инженером-радиотехником из Сюпелека.) Принцип эксперимента следующий.

Эксперимент А. Ядерные спины образца (кристалла) приводят в состояние теплового равновесия с решеткой при температуре 300 К в сильном магнитном поле, где они приобретают намагниченность, измеряемую с помощью ЯМР. Затем образец размагничивают до нулевого поля за время, короткое по сравнению с T₁, но длинное по сравнению с Т₂. Можно предположить, что спины находятся все время в состоянии внутреннего равновесия, но изолированы от решетки. Если снова поднять поле до начального значения, можно наблюдать возвращение ядерной намагниченности к начальному значению (если учесть малые потери). Это совместимо с гипотезой спиновой температуры, но не является доказательством этой гипотезы. В частности, техникой ЯМР ничего нельзя узнать о состоянии спинов в нулевом поле. Если предположить, что систему спинов можно в каждый момент времени описать спиновой температурой, ее значение в нулевом поле легко подсчитать, записав условие сохранения энтропии спинов во время адиабатического размагничивания. Предположим для наглядности, что эта подсчитанная температура равняется 2 K (такова она была в нашем эксперименте).

Эксперимент В. Образец охлаждают в нулевом поле в криостате с температурой 2 K в течение времени, гораздо большего, чем Т₁. В этом случае мы знаем, что спины находятся в состоянии равновесия при настоящей термодинамической температуре 2 K. Затем адиабатически поднимают магнитное поле до того же значения, что в начале эксперимента А, и измеряют с помощью ЯМР ядерную намагниченность. Если она равна той, что наблюдалась в эксперименте А, правильность гипотезы спиновой температуры доказана. Так оно и оказалось. Этот опыт изменил отношение многих физиков к понятию спиновой температуры, введенному впервые в электронный магнетизм двумя голландскими физиками Казимиром и дю Пре (du Pre), и в ядерный — Паундом и Парселлом.

Думаю, именно этот опыт положил конец враждебному отношению Блоха к понятию спиновой температуры. Что касается Парселла, который еще со времени своих первых экспериментов с Паундом был убежден в его правильности, про наш опыт с Проктором он сказал: «Дитя родилось давно, а сегодня вы принесли брачное свидетельство».

Спиновые системы имеют интересную особенность: спектр их энергии ограничен сверху (в отличие, например, от систем с кинетической энергией). Это дает возможность создать эти системы в состоянии отрицательной температуры. При отрицательной температуре вероятность найти систему на данном уровне энергии тем больше, чем выше энергия этого уровня. Очевидно, что состояние с отрицательной температурой бессмысленно для «нормальной» системы, т. е. такой, энергетический спектр которой не имеет верхней границы. Энергия такой системы в подобном состоянии была бы бесконечна.

Наоборот, для спиновых систем такие состояния не только мыслимы, но и создавались, и подробно изучались. Важно понять, что система с отрицательной температурой «горячее» любой системы с положительной температурой; если ее поместить в тепловой контакт с «нормальной» системой (которая может иметь только положительную температуру), она будет необратимо передавать энергию «нормальной» системе и достигнет состояния с бесконечной температурой, где все ее уровни одинаково населены, т. е. состояния максимального беспорядка. Только после неизбежного перехода через полный хаос сможет она достигнуть положительной температуры и прийти в тепловое равновесие с «нормальной» системой. Ниже, в главе «Запад и Восток», будет рассказано о неожиданном применении понятия отрицательных температур.

*Динамическая ядерная поляризация в твердых телах

Перехожу к третьему явлению, обнаруженному в эти годы в нашей лаборатории, а именно к динамической ядерной поляризации (или ДЯП) в твердых телах. Ее разные проявления и приложения занимали нас почти четверть века.

В своей работе Оверхаузер очень настаивал на том, что электроны проводимости в металлах, насыщение резонанса которых приводило к громадному увеличению ядерной поляризации, подчинялись так называемой статистике Ферми, подробности которой я здесь опущу. В моей женевской работе я показал, что эта предпосылка была излишней, и предсказал возможность ДЯП в жидкостях, впоследствии доказанной в нашей лаборатории (о чем рассказано выше). Хорошо известно, что спины парамагнитных примесей, растворенных в жидкостях, где они играют роль спинов электронов проводимости, статистике Ферми не подчиняются. Не я один настаивал на необязательности статистики Ферми для эффекта Оверхаузера; Блох это тоже заметил и сделал заключение, что эффект Оверхаузера должен быть наблюдаем и в твердых диэлектриках. Но это заключение было в общем ошибочным, как я показал в своей женевской работе. Тщательный анализ роли электронных спинов в ядерной релаксации позволил обнаружить малозаметное, но существенное различие ее механизма в металлах и жидкостях, с одной стороны, и твердыми диэлектриками — с другой. Неверующий читатель может на свой страх и риск, обратиться к книге «Ядерный магнетизм» за доказательством. Но, если ДЯП с помощью эффекта Оверхаузера или его «унтерхау-зерского» варианта была невозможна в твердых диэлектриках, есть ли другой метод?

То, к чему я стремился (да и не только я), не было увеличением во много раз очень малых поляризаций, переходя, скажем, от одной миллиардной доли к нескольким миллионным, как в магнитометре для земного поля, или от нескольких миллионных долей к одной тысячной, как было с жидкостями в сильных полях. Целью была высокая абсолютная поляризация, близкая к стопроцентной, для ряда применений, которые я опишу позже.

Но при динамических увеличениях порядка нескольких сотен в лучшем случае (поле земли было специальным исключением) начинать приходилось с «естественной» ядерной поляризации в несколько тысячных, т. е. с температуры порядка 1 K. Для металлов можно было бы подумать об использовании обычного эффекта Оверхаузера, если бы при низких температурах так называемый скин-эффект не препятствовал проникновению в глубь металла насыщающего микроволнового поля. Что же касается жидкостей, то при температурах порядка 1 R они… не жидкости. Единственным исключением является изотоп гелия ³He (⁴Не не имеет ядерного спина). Между 1955 и 1960 годами у нас в лаборатории его не было, но позже мы, как и другие, безуспешно пытались поляризовать его с помощью эффекта Оверхаузера. Причины неудачи не поняты до сих пор.

Решение задачи ДЯП в твердых диэлектриках пришло мне в голову в один прекрасный день. Попробую его изложить в бессовестно упрощенном, но, в принципе, правильном виде.

Рассмотрим образец твердого диэлектрика, содержащий ядерные спины I в нормальной пропорции и малую примесь электронных спинов S, скажем, один S на несколько тысяч I. Положим для магнитного поля и для температуры условия, скажем, 2,5 Тесла и 1 K, при которых электронные спины поляризованы почти на 100 % и все «смотрят вверх», а ядерные спины имеют почти нулевую поляризацию, при которой столько же из них смотрят «вверх», сколько и «вниз».

Предположим еще, что время спин-решеточной релаксации спинов S очень коротко, так что если по какой-нибудь причине спин S флипнет «вниз», релаксация моментально вернет его в равновесие, т. е. «вверх». Все эти гипотезы вполне реалистичны. Наша задача заключается в том, чтобы перевести все спины I из состояния «вниз» в состояние «вверх».

Возьмем ядерный спин I, который направлен «вниз». Он мог бы перейти в «вверх», флип-флопнув с электронным спином, направленным «вверх». Но для этого нужна энергия ?_— = (?_S — ?_I), которую в жидкости можно почерпнуть из кинетической энергии относительного движения этих спинов, но которая совершенно отсутствует в твердом образце при низкой температуре. Этот флип-флоп можно все-таки произвести, взяв эту энергию у внешнего микроволнового источника с нижней частотой ?_—. (В первом приближении для внешнего источника такой переход запрещен, но не во втором.) Но спин S, который в результате такого флип-флопа перешел в состояние «вниз», сразу возвращается в «вверх» благодаря своей сверхскорой релаксации, и спин I, который перешел «вверх», «видит» вокруг себя только спины 5, которые тоже «вверх», и не может флип-флопнуть с ними. Он мог бы флип-флипнуть с любым из них, но для этого нужна энергия ?₊ = (?_S + ?_I), которой в образце нет и спин I остается пойманным «вверх». Таким образом, все спины I переводятся в состояние «вверх» один за другим.

Предположение стопроцентной электронной поляризации, сделанное, чтобы облегчить изложение, совсем не нужно; можно показать, что при любой электронной поляризации изложенный метод, т. е. облучение образца микроволновым источником с частотой ?_— = (?_S — ?_I), уравнивает ядерную поляризацию с электронной. Легко также показать, что облучение флип-флиповой частотой ?₊ = (?_S + ?_I) приводит к ядерной поляризации той же величины, но с обратным знаком. Необходимо отметить важность быстрой электронной релаксации. Каждый из спинов 5 «обслуживает» тысячи спинов I. Не успел он флип-флопнуть с одним спином I, как он же должен поскорее вернуться в состояние «вверх», чтобы заняться другим. Эта быстрая релаксация требует качеств, напоминающих те, которыми по легенде располагал царь Соломон, что побудило меня назвать этот метод ядерной поляризации «методом царя Соломона». (По просьбе Дебьеса я однажды прочел лекцию об этом методе группе школьных учителей и учительниц. Объясняя происхождение названия «метод царя Соломона», я вдруг заметил в первых рядах трех монахинь, учительниц из католических школ, которые прилежно записывали все, что я говорил.)

В публикациях я предпочитал название «солид-эффект», чтобы подчеркнуть отсутствие относительного движения электронных и ядерных спинов для контраста с жидкостями и металлами. В 1958 году я решил проверить эту идею экспериментом. Чтобы выиграть время, я поручил роль электронного спина 5 ядерному спину с ларморовской частотой, в несколько раз большей, чем у ядерного спина I. Я выбрал кристалл фтористого лития LiF, где роль спина 5 играл спин ¹⁹F, а спином I был ⁶Li, с ларморовской частотой, в шесть раз меньшей. Работая снова с Проктором, в двадцать четыре часа мы проделали успешно опыт и доказали, что «солид-эффект» существует. Несколько позже с Комбриссоном и еще с одним молодым сотрудником мы повторили опыт, но на этот раз с настоящим электронным спином S. Эра ДЯП началась. Интересно заметить, что, перечитывая свою женевскую работу несколько лет спустя, я открыл, что, если читать между строками, принцип «солид-эффекта» был там ясно указан, но в течение трех лет никто, включая меня, этого не заметил. Мне повезло, что я оказался первым.*

А что же насчет применений резонанса к атомной энергии? Никого из моих начальников это не беспокоило. Со своей стороны я не считал нужным затрагивать этот вопрос в моих отношениях с ними. Вначале мой сотрудник Гольдман сделал одну или две попытки в этом направлении, но, так как никто, во всяком случае я, его особенно не поощрял, он перешел к другим занятиям. Позже в Сакле была основана лаборатория, деятельность которой была сосредоточена на такого рода применениях. Я им не завидовал и с ними не соперничал.

Перечислю моих первых сотрудников. Я к ним буду возвращаться еще не раз. Кроме Комбриссона и Соломона я назову в порядке, который более или менее совпадает с их появлением в моей лаборатории, Жозе Эзратти, Андрея Ландесмана, Мориса Гольдмана, Мишеля Боргини, Жака Винтера, Шарля Ритера. ((Jos? Ezratty, Andre Landesman, Maurice Goldman, Michel Borghini, Jacques Winter, Charles Ryter). За исключением Гольдмана, который заменил меня, когда я оставил свою лабораторию в октябре 1985 года, все они ушли раньше меня и их заменили другие. В моей памяти особое место занимает Алле (Allais) (имя я забыл) — высокий, красивый, спокойный и ласковый, умный, одаренный. Этому молодому политехнику, казалось, была обещана блестящая будущность. Он работал с Комбриссоном над динамической поляризацией в жидкостях. Но однажды, он пришел ко мне и сообщил, что совесть не позволяет ему взирать равнодушно на бедствия тех, кого тогда еще не называли «третьим миром». Он решил уехать в Индию и поселиться там в деревне, чтобы помогать крестьянам улучшать их земледелие. Ничто из того, что я ему тогда сказал, пытаясь отговорить от этого предприятия, на него не подействовало. Я помню, это произошло в 1958 году, как раз когда де Голль пришел к власти после Алжирского путча, от которого многие во Франции, и я в том числе, ничего хорошего для демократии не ожидали. Когда Алле уезжал, я сказал ему: «Пришлите ваш адрес, кто знает, может быть, я сам к вам приеду». С тех пор я о нем ничего не слышал.

Были иностранные гости — на различные сроки; среди них мой друг Паунд, который сотрудничал у нас с англичанином из Оксфорда Реем Фриманом (Ray Freeman), впоследствии блестящим специалистом по ЯМР высокого разрешения, недавно изменившим Оксфорду и занявшим (о ужас!) кафедру в Кембридже. Был и Уорен Проктор, о котором я уже говорил и с которым у нас было двухлетнее замечательно успешное сотрудничество.

В том же 1958 году я получил премию имени Гольвека (Holweck), основанную после войны в честь физика Фернанда Гольвека, убитого немцами во время оккупации. С 1946 года эта премия присуждается каждый год, поочередно французскому физику Британским физическим обществом и британскому физику Французским физическим обществом.

Среди британских лауреатов мне доставляет удовольствие назвать моих добрых друзей Блини и Курти, а также четырех Нобелевских лауреатов: Габора, Джозефсона, Райла и Хьюиша (Gabor, Josephson, Ryle, Hewish). Я однажды заметил, что только два французских Гольвекских лауреата — Кастлер и Неель — получили Нобелевскую премию. Это доказывает, что наше общество выбирает лауреатов Гольвекской премии гораздо лучше, чем британское. Премия невелика, но с ней связана очень приятная трехдневная поездка с супругой в другую страну, где лауреата принимают очень радушно. Лауреат «расплачивается» за гостеприимство так называемой Гольвекской лекцией о своих работах. Я прочел свою лекцию в Кембридже, в той самой аудитории, где почти на век раньше преподавал Максвелл. Затем мы побывали в Оксфорде, где «я был принят как вернувшийся блудный сын».

Библия

В 1955 году Морис Прайс сообщил мне, что издательство Оксфордского университета (Oxford University Press или OUP) предложило ему написать книгу о магнитном резонансе. То ли у него не было времени, то ли охоты, то ли ни того, ни другого, поэтому он назвал меня, и OUP попросило его, чтобы он сам предложил мне авторство. «Теперь самое время», — бойко заявил он, — «вы только что закончили курс лекций по ЯМР и курс по ЭПР. Переведите все это на английский и отошлите OUP в одной папке, вот и все». У меня не было опыта написания книг; до сих пор я их только читал в большом количестве, но мне было ясно, что это не так просто.

Больше всего меня одновременно и привлекало, и отпугивало то, что эта книга (пока еще не написанная) будет принадлежать к знаменитому собранию монографий OUP. До войны я созерцал со священным трепетом на полках университетской библиотеки их знаменитые заглавия, тисненые золотом на корешках их знаменитых темно-зеленых переплетов: «Принципы квантовой механики» Дирака — величайшая из книг по физике, «Теория атомных столкновений» Мотта и Месси, «Квантовая теория излучения» Гайтлера, «Теория электрических и магнитных восприимчивостеи» Ван Флека, «Принципы статистической механики» Толмена — замечательные книги, источники мудрости, в которых я утолял свою жажду знаний. Могло ли статься, что мое несовершенное творение будет стоять на полках рядом с ними?

Я согласился с трепетом. Через несколько недель я получил два экземпляра контракта, которые по качеству бумаги и шрифта напоминали скорее дипломатический договор, чем простое коммерческое соглашение; OUP уже демонстрировало качество своей продукции. Контракт был кабальный: OUP оставляло за собой все права за передачу по телевидению и возлагало на меня всю ответственность в случае судебного преследования за непристойность. И все-таки я согласился, подписал один экземпляр контракта, засвидетельствовал свою подпись и отослал его в Оксфорд. Жребий был брошен.

Прайс легкомысленно говорил о книге в 300 страниц об ЭПР и ЯМР вместе, в то время как одни только записки моих лекций превышали этот объем в два раза. Я пришел к заключению, что надо выбирать: ЭПР или ЯМР. В 1955 году гораздо лучше меня знали по моим работам по ЭПР, чем по ЯМР; друзья советовали выбрать ЭПР — где меня уважали как эксперта, а не ЯМР, где я считался новичком. Но я не был убежден, что они правы. Хотя я действительно тогда еще мало написал работ по ЯМР, однако за предыдущие пять лет я прочитал большую часть того, что стоило читать в этой области. Кроме того, я предвидел в будущем больше возможностей для ЯМР, чем для ЭПР. Наконец, для моей новорожденной лаборатории я видел в ЯМР массу вещей, за которые можно было взяться сразу, и ничего подобного в ЭПР. Итак, еще один жребий был брошен — был выбран ЯМР.

Смело взяв (иные скажут нахально) пример с Дирака, я назвал книгу «Принципы ядерного магнетизма». На русском языке заглавие было просто «Ядерный магнетизм»; с моим желанием отдать честь Дираку, как вообще с любым моим желанием, связанным с переводом моей книги, не посчитались, что не удивительно, так как моего мнения никто не спрашивал. Как научный работник и педагог я, конечно, был очень доволен, что книга переведена на русский язык; но сожалел, что она была напечатана на скверной бумаге, что мне не сказали, каков был тираж, и, самое главное, что, несмотря на наличие большого спроса на нее среди учащейся молодежи, ее никогда не переиздавали. «У нас этого не делают», — объяснили мне. Дело, конечно, не в гонораре, который меня мало интересовал, а в желании любого автора найти признание у читателя. Технически перевод был, безусловно, компетентен. Что касается его литературных качеств, то на вопрос профессора Скроцкого, редактора перевода всех моих книг на русский язык о моем мнении о литературном качестве перевода другой моей книги, я ответил: «Вы не Пастернак, да ведь и я не Шекспир».

После этого отступления возвращусь к тому, как книга писалась. Это были четыре года ожесточенного труда. Можно лишь удивляться, как мне удалось совместить написание книги в 600 страниц (вместо 300 страниц для ЯМР вместе с ЭПР, о которых говорил Прайс) с основанием моей лаборатории и управлением ею и с моими личными работами. Объяснение заключалось в том, что между этими разными заданиями существовал симбиоз. С одной стороны, наши идеи (мои собственные и моих юных сотрудников) и результаты наших экспериментов питали книгу одновременно с их публикацией в научных журналах. А с другой стороны, написание книги служило предлогом для новых теоретических или экспериментальных работ.

Например, желая расширить и уточнить в книге теорию спиновой диффузии Хуцишвили, я «заказал» эту работу де Жену (de Gennes), и ее публикация в книге появилась раньше, чем в журнале. Иногда я придумывал эксперименты для наглядной демонстрации развиваемой в книге теории. Именно так родились некоторые, далеко не тривиальные эксперименты, осуществленные в лаборатории.

Редко я приводил расчет, взятый из литературных источников, без того, чтобы постараться сделать его короче, понятнее или строже. Раньше я уже говорил о своих усилиях сорвать со статистических работ Блоха их «вагнеровскую мантию». Такого же рода операцию я произвел над очень важной, но труднопонятной работой Альфреда Редфильда, про которую многие читатели говорили мне, что они поняли ее, лишь прочитав мою книгу. Я строго следовал своему правилу не включать в книгу ни одной теории, с которой я не был согласен или которую я не совсем понимал, ни одного экспериментального результата, который грубо противоречил хорошо установленной теории, ни одной формулы, которую бы я сам не проверил. От последнего правила я отступил дважды, доверяя авторам, которых уважал, и каждый раз сожалел об этом.

Все те, кто пишут книги для студентов, знают (или, по крайней мере, должны бы знать) о своей ответственности перед студентами, которая тем больше, чем лучше студент. Хороший студент, который читает научную книгу с пером в руке, доверяет автору и, когда наталкивается на ошибку, теряет много времени, стараясь понять или доказать неправильный результат. Я не хочу этим сказать, что безобидно накапливать ошибки в оригинальной статье, но в этом случае можно надеяться, что искушенный читатель сможет распознать ошибку коллеги скорее и, может быть, не без некоторого невинного удовольствия. Поэтому я и был так осторожен. Я помню формулу, приведенную П. В. Андерсоном и Н. Бломбергеном (ни тот, ни другой тогда еще не был Нобелевским лауреатом), которая различалась у них множителем 4 (или, может быть, 8 — давно это было) и для которой я сам нашел множитель, отличный от обоих. Я проконсультировался с Уолтером Коном (Walter Kohn) и с де Женом, чьи результаты, к счастью, совпали с моим.

Я облегчал напряжение работы над книгой, придумывая для каждой главы забавные эпиграфы (или, по крайней мере, казавшиеся мне таковыми). Увы, их скосили при переводе на русский язык. В предисловии я напомнил читателю (и коллегам), что, по мнению автора, в книге, в отличие от статьи, ссылка на приоритет не является необходимой. Этим путем я значительно укоротил библиографию и… нажил себе немало недоброжелателей. Успех книги превзошел все мои ожидания. Кроме русского она была переведена на японский и на французский! За последние двадцать с хвостиком лет, если верить знаменитому «Citation Index», она цитировалась более десяти тысяч раз, чаще, чем раз в день, и (у нас это делают) перепечатывалась несколько раз.

Я так распространился насчет этой книги не только потому, что прожил с ней четыре бурных года, иногда — как с любовницей, «блестящей, ветреной, живой», иногда — как со сварливой женой, но и потому, что она бросает тень на остальные мои достижения, которыми, грешный человек, я дорожу больше. Конан Дойл — создатель бессмертного Шерлока Холмса — был раздражен его успехом, который, по его мнению, бросал тень на другие его творения, которые ему казались важнее. Таков и я. Всякий, кто соприкасался хоть слегка с ЯМР, а таких немало, знает мою фамилию благодаря книге. Но кто из них слышал про мои работы о сверхтонкой структуре, о ДЯП, о поляризованных мишенях, о ядерном псевдомагнетизме и о том, что я ценю больше всего и о чем расскажу подробно в другой главе, — о ядерном ферромагнетизме и антиферромагнетизме? В конце концов, возможно, успех, которым пользуются мои остальные творения, вполне состветствует их ценности, а успех книги преувеличен. Что делать, очевидно, никто не доволен своей судьбой.

Вся физика и все писание, о которых я рассказал, очень занимали меня, но не настолько, чтобы сделать равнодушным к моей карьере в КАЭ. Более, чем чин, оклад или престиж, также не оставлявшие совершенно равнодушным сорокалетнего господина, которым я сделался незаметно для себя, меня прельщала независимость, к которой я всегда стремился; я нашел свою дорогу и не желал, чтобы кто-нибудь из начальства давал мне советы или, что еще хуже, инструкции, куда мне идти. Это было не так легко: КАЭ был (и остался) учреждением с сильной субординацией, от высот, где парил двуглавый орел, ГА и ВК, до скромного начальника секции, последнего из начальников. Все должности, которые я занимал в КАЭ в течение моей карьеры, вплоть до Директора Отделения физики (я мог бы стать и Верховным Комиссаром, если бы захотел), я занимал не из-за любви к власти, а из-за того, чтобы тот другой, кто занял бы эту должность при моем отказе, не упражнял бы свою любовь к власти за мой счет. Должен признаться, что разные обязанности, которые мне выпадали, пробуждали во мне новые интересы и расширяли кругозор, но подробнее об этом позже.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.