«Спиновая температура»

величина, характеризующая распределение парамагнитных частиц (обладающих Спином) по магнитным подуровням, образующимся при расщеплении их уровней в магнитном поле (см. Зеемана эффект). В равновесии это распределение может быть описано соотношением (см. Больцмана статистика):

Здесь n(E) — число частиц с энергией E, С— константа, k — Больцмана постоянная, T_s — С. т. Состояние внутреннего равновесия в системе парамагнитных частиц, а следовательно, и С. т., отличная от температуры решетки, устанавливаются только в том случае, если обмен энергией внутри системы этих частиц (спин-спиновая релаксация) происходит быстрее, чем обмен энергией между парамагнитными частицами и кристаллической решёткой (спин-решёточная релаксация). С. т. может быть не только положительной, но и отрицательной, последней соответствует Инверсия населённостей энергетических уровней (см. Квантовый усилитель).

А. В. Францессон.

СПИНОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА

- термодинамич. величина, характеризующаясостояние внутр. квазиравновесия в подсистеме спиновых степеней свободывещества. наиб. распространение понятие С. т. получило при описании электронныхи ядерных парамагнетиков. В этом случае С. т. T_S определяет вероятность W_i нахождения системы частиц, <обладающих спином, в стационарном состоянии с энергией :

где Z - статистич. сумма. Соотношение (1) аналогично обычному каноническомураспределению Гиббса, однако - лишь часть полной энергии системы, зависящая от спиновых переменных. <Предполагается, что локальное внутр. равновесие в спиновой подсистеме (квазиравновесие)устанавливается гораздо быстрее, чем равновесие между спиновой подсистемойи остальными степенями свободы (истинное равновесие с темп-рой Т ₀). Примеромможет служить система ядер, обладающих спином и гиромагн. отношением ,в твёрдом теле, помещённом во внеш. пост. магн. поле H. Взаимодействиемагн. момента ядра с этим полем приводит к образованию 2I + 1 уровней энергии ,разделённых равными интервалами и соответствующих разл. значениям проекции I_z ядерного спинана направление Н (рис., а). Внутр. квазиравновесие в этой системе устанавливаетсяблагодаря спин-спиновым взаимодействиям между ядрами: 1) создаваемые ядернымимагн. моментами локальные поля приводят к расфазировке прецессии спиновв поле Н за время поперечной релаксации ,в результате сохраняющейся макроскопич. характеристикой системы остаётсяср. значение I_z; 2) взаимные «перевороты» ядерных спинов, вызванныеспин-спиновым взаимодействием, приводят к «забыванию» их нач. распределенияпо состояниям также за время .Поэтому на интервалах времени можно считать спиновую подсистему квазиравновесной. Обычно с оказывается много меньше времени спин-решёточной релаксации с.

Энергетические диаграммы и квазиравновесные распределения населёнвостейпарамагнитных спиновых систем в магнитном поле: а - I = 3/2, единая спиноваятемпература; б - различные спиновые температуры в неэквидистантном спектре;в - «зеемановская» и «спин-спиновая» спиновые температуры;- энергия, и - населённость; пунктир соответствует распределению Больцмана.

Распределение (1) сводится при этом к Больцмана распределению населённостей n_i по уровням :

Если спиновая система не подвергается внеш. воздействиям, она приходитв равновесие с решёткой, играющей роль термостата; при этом T_S= T₀. Однако при воздействии резонансного радиочастотногомагн. поля с частотой , индуцирующего квантовые переходы между соседними магн. уровнями [см. Ядерныймагнитный резонанс (ЯМР)], населённости уровней постепенно выравниваются, <что в соответствии с (2) означает повышение С. т. В пределе и (насыщение ЯМР).

Понятие С. т. обобщается также на системы с разл. расстояниями междусоседними уровнями энергии, что типично для электронного парамагнитногорезонанса, ядерного квадрупольного резонанса и др. В этом случае отсутствиерезонанса между разл. переходами спектра препятствует установлению квазиравновесияс единой С. т. T_S. Однако каждой паре уровней j,. можно приписать, следуя (2), свою «парциальную» С. т.

При насыщении к.-л. перехода (напр.,на рис., б) населённости этих уровней выравниваются и соответствующая С. <т., тогдакак на др. переходах С. т. может оказаться как выше, так и ниже Т ₀ илистать отрицательной (см. Отрицательная температура). Последнее означает, <в соответствии с (2), что населённость верх. уровня больше, чем нижнего(см. уровни 3, 2 на рис., б). Возможность состояний с отрицательнойС. т. характерна для систем (не только спиновой природы), спектр энергиик-рых ограничен сверху. Такие состояния способны к вынужденному испусканию эл.-магн. <поля, с ними связана работа квантовых генераторов и усилителей (см. <также Лазер).

Термодинамический смысл С. т. более полно проявляется в твёрдых парамагнетикахпри учёте энергии спин-спиновых взаимодействий. При этом каждый уровень расщепляется в квазинепрерывную полосу шириной , где H_L- ср. локальное поле. При квазиравновесие в такой системе описывается двумя С. т.: «зеемановской»T_sz и «спин-спиновой» T_SS. Они характеризуют соответственнораспределения населённостей по уровням ивнутри непрерывных полос (рис., в).

Адиабатич. уменьшение поля Н за время приводит к понижению С. т. В частности, при адиабаич. размагничивании до Н=0 получается T_S= T₀H_L/H. Адиабатич. <размагничивание электронных и ядерных парамагнетиков используют для магнитногоохлаждения до темп-р ниже 1К.

В магнитоупорядоченных веществах (ферро- и антиферромагнетиках) аналогомС. т. является эфф. темп-ра подсистемы магнонов (см. Релаксация магнитная).

Лит.: Гольдман М., Спиновая температура и ЯМР в твердых телах, <пер. с англ., М., 1972; Ацаркин В. А., Родак М. И., Температура спин-спиновыхвзаимодействий в электронном парамагнитном резонансе, «УФН», 1972, т. 107,с. 3; Абрагам А., Гольдман М., Ядерный магнетизм: порядок и беспорядок, <пер. с англ., т. 1-2, М., 1984. В. А. Ацаркин.