Квантовые магниторезонансные методы с оптической накачкой атомов

Квантовые магниторезонансные методы основаны на явлении магнитного резонанса, заключающегося в резонансном поглощении и излучении энергии высокой частоты атомными частицами в результате магнитных дипольных переходов между энергетическими подуровнями, создаваемыми постоянным магнитным полем. Магнитные подуровни могут создаваться как внешними магнитными полями, так и магнитными моментами микрочастиц. Например, взаимодействие магнитных моментов электронной оболочки и ядра атома вызывает расщепление энергетических уровней атома и соответствующих спектральных линий, называемое сверхтонкой структурой энергетического спектра атома. Переходы между уровнями сверхтонкой структуры используются, в частности, для создания квантовых стандартов частоты, лазеров и высокочувствительных тесламеров с оптической накачкой.

Магнитный резонанс может наблюдаться в макроскопическом количестве вещества, атомные частицы которого имеют механический (спин) и магнитный моменты. С позиций классической механики такие частицы прецессируют в постоянном магнитном поле аналогично прецессии гироскопа в гравитационном поле. Термин «резонанс» здесь означает, что при наблюдении данного явления производится настройка на собственную частоту квантовой системы, равную частоте прецессии магнитных частиц в постоянном магнитном поле, определяемой уравнением Лармора: ω=γВ, где γ – гиромагнитное отношение, равное отношению магнитного момента частицы к её механическому моменту количества движения.

В зависимости от вида резонирующих частиц существует несколько разновидностей магнитного резонанса: ядерный, электронный, парамагнитный, ферромагнитный, антиферромагнитный и др. Ядерный резонанс обусловлен ядерными диполями, другие – электронными диполями. Электронный парамагнитный резонанс можно наблюдать в веществах, атомы или молекулы которых имеют неспаренные электроны. Ферро- и антиферромагнитные резонансы имеют место в веществах, в которых электронные диполи связаны обменными силами в доменные структуры.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это наиболее точный метод измерений магнитной индукции постоянных имедленно изменяющихся магнитных полей, поскольку гиромагнитное отношение атомного ядра (например, ядра водорода – протона), определяющее функциональную связь между магнитной индукцией и частотой, является фундаментальной физической константой.

Рис. 2-64

Измерительный преобразователь ЯМР обычно состоит из одной или двух обмоток и рабочего вещества, содержащего атомные ядра, обладающие магнитным моментом. Рабочее вещество может находиться внутри цилиндрической, прямоугольной или тороидальной обмотки (рис. 2-64, а), или, наоборот, обмотка может быть помещена внутри рабочего вещества (рис. 2-64, б и в). В последнем случае увеличивается коэффициент заполнения преобразователя, пропорциональный объему рабочего вещества, находящегося в высокочастотном поле, создаваемом обмоткой. Для защиты от внешних помех преобразователь ЯМР обычно помещается в экран. В преобразователях ЯМР наиболее часто используется жидкое диамагнитное вещество, содержащее атомные ядра с отличным от нуля магнитным моментом. Последний равен нулю только у атомных ядер, состоящих из четного числа протонов и четного числа нейтронов. В постоянном магнитном поле атомные ядра, обладающие магнитным моментом, занимают определенные энергетические уровни, число которых равно 2I+1.