Горизонты научного поиска

Новые явления в сложных магнитных системах

Хорошо известное нам применение электронного пучка в лучевой трубке старых телевизоров основано на взаимодействии заряда электрона с электростатическим полем. Однако электрон, кроме заряда, обладает собственным механическим моментом - спином. Именно с эксплуатацией такого явления, как взаимодействие спина электрона с магнитным полем, связывают в настоящее время прогресс в создании принципиально новых электронных приборов и элементов. Появилась даже новая наука - спинтроника, занимающаяся изучением спинового токопереноса в твердотельных веществах, в частности в гетероструктурах ферромагнетик-парамагнетик или ферромагнетик-сверхпроводник.

Широко известны такие явления, как гигантское магнитное сопротивление, туннельное магнитное сопротивление, намагничивание сверхпроводников и другие, в которых транспорт электронов определяется их спином. Очевидно, что новые явления скорее возникнут в сложных магнитных системах, какой является, например, некомпланарная система, характеризующаяся наличием пространственных зависимостей трех ортогональных компонент магнитного поля. В некомпланарной распределенной в пространстве магнитной системе пропускание через нее потоков частиц слева направо и справа налево неодинаковы. Это приводит к новому, связанному со спином явлению - выпрямляющему действию некомпланарной структуры на переменный электрический ток.

Нейтрон, в отличие от электрона, является более "элементарной" частицей, у нейтрона отсутствует заряд, но есть спин. Наличие спина у нейтрона делает его привлекательным в качестве модельной системы для выяснения свойств электрона, относящихся только к его спину. Задача экспериментальной проверки утверждения о неравенстве пропусканий неполяризованных нейтронов слева направо и справа налево была сформулирована профессором А.А.Фраерманом из Института физики микроструктур (ИФМ РАН) в Нижнем Новгороде. В Дубне к теоретическим исследованиям подключился известный нейтронный оптик В.К.Игнатович. Он установил, что для слоистых некомпланарных систем все обстоит несколько иначе, а именно, неравенство пропусканий слева направо и справа налево возникает только в случае наличия поглощения или рассеяния нейтронов в системе.

Для экспериментальной проверки этих утверждений необходимо было сделать следующий шаг - правильно сконструировать некомпланарную магнитную систему, состоящую из трех элементов-областей, в которых магнитное поле имело бы одно из трех ортогональных направлений. Такая система была предложена автором этих строк. Система довольно проста и состоит из двух параллельно расположенных магнитных зеркал, намагниченных перпендикулярно друг другу и помещенных в перпендикулярно направленное зеркалам магнитное поле. Несмотря на простоту, система зеркал обладала важными необходимыми свойствами: она обеспечивала неадиабатичность движения спина нейтронов при их прохождении из одной области некомпланарной системы в другую, а также высокую чувствительность измерений при достаточной их светосиле.

Экспериментальные исследования прохождения нейтронов были выполнены на спектрометре поляризованных нейтронов РЕМУР, расположенном на пучке N8 реактора ИБР-2. Здесь потребовались мастерство ведущего инженера ЛНФ А.В.Петренко для работы с узким (доли миллиметра) и коллимированным пучком нейтронов, а младший научный сотрудник ИФМ Д.Татарский сконструировал и изготовил протяженную магнитную систему. Конечно, не обошлось без трудностей и многочисленных тестовых измерений. Однако годовые усилия увенчались успехом. Было показано двумя способами, что если для компланарной системы пропускания неполяризованных нейтронов в двух направлениях одинаковы, то для некомпланарных поведение пропусканий в зависимости от длины волны нейтронов является антифазным.

Руководитель работ Ю.В.Никитенко с Хансом Лаутером (Германия) на спектрометре РЕМУР ИБР-2.

В результате было экспериментально установлено важное фундаментальное свойство преобразований волновой функции-спинора, заключающееся в том, что некомпланарная система в зависимости от направления движения по-разному действует на элементарную частицу со спином.

Интересно, что уже другое применение нашла компланарная система из двух зеркал с параллельно направленными намагниченностями. Так, автор этих строк предложил применить компланарную систему для разработки высокочувствительного спин-эхо спектрометра нейтронов, измеряющего низкочастотный спектр колебаний вещества. Потребность в такого типа спектрометрах связана с необходимостью изучения свойств мягких структур, к которым относят, в частности, важные для человека биологические структуры. Но это уже будет другая, надеюсь, успешная история.

Юрий НИКИТЕНКО