Оптическая ориентация парамагнитных атомов газа - ориентация в определённом направлении угл. моментов
(механических и связанных с ними магнитных) атомов (или ионов) под действием
поляризованного по кругу оптич. излучения резонансной частоты. Открыта А. Кастлером
(A. Kastler) в 1953. О. о. является частным случаем оптич. накачки - перевода
вещества в неравновесное состояние в процессе поглощения им света.
При О. о. в отсутствие магн. поля угл.
моменты атомов ориентируются по или против направления луча ориентирующего
света в зависимости от знака круговой поляризации света, а также от сочетания
величии угл. момента в основном (J0) и возбуждённом (J)
состояниях атома. Возникает суммарный макроскопич. вектор ориентации. Величина
О. о. в простейшем случае двух уровней характеризуется отношением разности
населённости уровней к их сумме. При наличии магн. поля в системе сохраняется
проекция вектора ориентации на направление вектора магн. индукции.
Если за время жизни возбуждённого состояния
атом не подвергается столкновениям с переворотами угл. момента, то процесс
ориентации можно рассматривать как следствие закона сохранения проекции
угл. момента в системе атом - излучение: каждый фотон циркулярно полярпзов.
света обладает проекцией угл. момента
на направление своего распространения и, будучи поглощён, передаёт этот
угл. момент возбуждённому атому - ориентирует его. Спонтанное испускание
возвращает атом в осн. состояние, причём ориентация атома в среднем сохраняется
(вследствие изотропности спонтанного испускания).
Если ориентация возбуждённых атомов устраняется
в результате столкновений, то ориентация атомов в осн. состоянии может
возникать за счёт различия вероятности возбуждения атомов, по-разному ориентированных
относительно луча света. При этом ориентация совпадает со знаком поляризации
света, если J0
J, и противоположна при J0 < J. Это приводит
к зависимости знака и величины О. о. атомов от спектрального состава ориентирующего
света. Так, атомы щелочных металлов в буферных газах (см. ниже) ориентируются
двумя линиями гл. дублета (переходы J0 = 1/2J
= 1/2 и J0 = 1/2J
= 3/2) в противоположные стороны, а поэтому ориентация
возникает лишь в меру различия интенсивностей этих линий.
Равновесное значение О. о. устанавливается
в процессе конкуренции ориентирующего действия света, пропорц. произведению
интенсивности света на вероятность поглощения, и процессов дезориентации
при межатомных столкновениях и при столкновениях ориентиров. атомов со
стенками сосуда. Для атомов, угл. момент к-рых имеет чисто спиновую природу
(S-состояние), сечения дезориентирующих столкновений с частицами
без спинового момента оказываются очень малыми (менее 10-20
см2 для инертных газов). На этом основано использование таких
(т. н. буферных) газов, присутствие к-рых не разрушает ориентацию и одновременно
увеличивает время диффузии атомов к стенке сосуда, где ориентация теряется.
Др. эффективное средство сохранения О.
о. - за счёт снижения скорости релаксации, к-рое происходит при нанесении
на стенки сосуда спец. покрытий с малой энергией адсорбции ориентируемых
атомов (напр., парафины). Указанные методы позволяют достичь времён релаксации
спина вплоть до 1 с. Для чисто ядерных парамагнетиков (атомы металлов второй
группы, гелий 3Не) времена релаксации спина ядра могут быть
ещё много выше. Длит. времена релаксации позволяют ориентировать атомы
светом малой интенсивности, обычно < 10-3 Вт/см2.
Возникающая О. о. атомов наиб. эффективно
детектируется по сопутствующей оптич. анизотропии вещества - по круговому
дихроизму поглощения и люминесценции и по круговому двойному лучепреломлению.
Процесс О. о. атомов непосредственно применим
к атомам щелочных металлов, металлов второй группы (Cd, Zn, Hg), к атомам
инертных газов в метастабильных состояниях и к нек-рым др. С появлением
перестраиваемых лазеров стало возможно ориентировать кроме атомов и молекулы,
для к-рых характерны большие сечения разрушения ориентации. Мн. объекты,
для к-рых прямая О. о. не осуществима по тем или иным причинам (атомы с
линиями поглощения в недоступной спектральной области, ионы, свободные
электроны), могут ориентироваться при столкновениях с непосредственно ориентируемыми
атомами (спиновый обмен).
Техника О. о. атомов проста. Атомарный
пар в прозрачной колбе с буферным газом (или буферным покрытием стенок)
облучается светом газового разряда в парах того же элемента, к-рый подвергается
ориентации. Ориентирующий свет перед облучением паров поляризуется и фильтруется
по частоте. Постоянные и переменные магн. поля, налагаемые на рабочий объём,
изменяют состояние ориентации, что фиксируется обычно с помощью фотодетектора,
измеряющего интенсивность прошедшего света. Часто О. о. осуществляется
в атомных пучках.
О. о. атомов вместе с оптич. детектированием
состояния ориентации применяется прежде всего в магниторезонансных исследованиях
[метод двойного радиооптического резонанса (ДРОР), см. Двойной резонанс]. По
чувствительности, определяемой мин. концентрацией исследуемых частиц, ДРОР
на много порядков превосходит обычные методы магн. резонанса и успешно
конкурирует с методом молекулярных и атомных пучков, будучи технически
несравненно более простым. Для исследования магн. резонанса возбуждённых
атомов метод ДРОР является единственно возможным.
О. о. используется также в исследованиях
радионуклидов. Для атомов, ядра к-рых обладают угл. моментом, О. о. электронной
оболочки сопровождается ориентацией ядер, что обнаруживается по анизотропии
вылета продуктов распада ядер. Этот эффект позволяет проводить измерения
изотопических
сдвигов и сверхтонкой структуры спектральных линий короткоживущих изотопов
в исчезающе малых концентрациях (единицы атомов в 1 см3).
Техн. приложения О. о. атомов в основном
связаны с измерениями величины магн. поля. Большие времена релаксации обеспечивают
узость линий магн. резонанса (единицы Гц), что позволяет с большой точностью
измерять их частоту и тем самым индукцию магн. поля. Магнитометры на этом
принципе (квантовые магнитометры)используются для измерений полей
геомагн. диапазона и ниже. Их гл. достоинство - очень высокая чувствительность
(до 10-12 Тл/Гц), не зависящая от величины индукции измеряемого
поля.
Для атомов, обладающих как электронным,
так и ядерным угл. моментом, возможен особый вид О. о., при к-рой достигается
взаимная ориентация ядерного и электронного угл. моментов с сохранением
изотропности распределения суммарного угл. момента. Этот тип О. о. наз.
сверхтонкой оптической накачкой и осуществляется неполяризованным и строго
монохроматич. светом, возбуждающим атомы с одного из подуровней сверхтонкой
структуры осн. состояния. Сверхтонкая накачка применяется в
оптических
стандартах частоты. Напр., в рубидиевых стандартах частоты в качестве
эталонного используют переход 6834 МГц атомов 87Rb. Такие стандарты
обеспечивают постоянство частоты в пределах до 10-11 от номинального
значения, отличаясь простотой конструкции, малой ценой и габаритами.
О. о. является частным случаем анизотропии
распределения проекций угл. момента в атомном ансамбле, возникающей под
действием света. В общем случае такая анизотропия описывается тензором
ранга 2J0 (статистич. тензор). Ориентации соответствует
вектор, компоненты к-рого включаются в матрицу компонент тензора. Кроме
ориентации вторым важнейшим типом анизотропии служит выстраивание ,описываемое
тензором второго ранга. Выстраивание возможно при J0 1.
Е. Б. Александров