Обнаружение эффекта мюонного спинового эха.

Лаборатория молекулярной фотохимии КФТИ КазНЦ РАН.
Руководитель: д.ф.-м.н. С.А. Моисев. 
Лаборатория физики перспективных материалов КФТИ КазНЦ РАН.
Руководитель: д.ф.-.м.н. Н.М. Сулейманов.

Теоретически предсказан и впервые экспериментально наблюден эффект спинового эха на мюонах имплантированных в вещество, находящееся в нулевом внешнем магнитном поле. Реализована принципиально новая, одноимпульсная схема восстановления спиновой поляризации мюонов после их имплантации в вещество, путем приложения  импульса постоянного магнитного поля. Эффект мюонного спинового эха открывает новые возможности для изучения распределения и характера внутренних локальных полей в веществе на основе концептуально нового для мюонного метода подхода, а также является основой для  развития мюонной спектроскопии высокого разрешения.

Как известно, в мюонных экспериментах, поляризованные мюоны, которые получают на специальных ускорителях, имплантируются в исследуемое вещество. После остановки мюона в веществе, его спин начинает прецессировать в локальном магнитном поле, которое в общем случае создается как внешними, так и внутренними источниками. Поскольку мюон представляет собой нестабильную частицу со средним временем жизни 2.2 микросекунды, он распадается на позитрон и два нейтрино по следующей схеме:

m⁺® e⁺ +  n_e + n_m

где e⁺ - позитрон, n_e - электронное нейтрино, n_m- мюонное антинейтрино, причем позитрон испускается преимущественно в направлении спина мюона в момент распада. Эта анизотропия эмиссии позитрона и является основой применения мюонов в физике кондесированного состояния. Изучение углового распределения позитронов позволяет напрямую наблюдать за спиновой динамикой мюона в веществе под влиянием различных полей, действующих на спин мюона в позиции где он локализован. Таким образом, мюон представляет собой универсальный магнитный зонд, который может быть внедрен в любое вещество независимо от его агрегатного состояния.

Одной из важнейших особенностей мюонного метода является возможность проводить эксперименты без приложения сильного внешнего магнитного поля. В этом случае результирующий спектр вращения спина мюона отражает истинное распределение и характер внутренних локальных полей в среде, не возмущенных  внешним полем. В магнитоупорядоченных материалах спины мюонов прецессируют когерентно с момента их попадания в среду, что дает долгоживущий осциллирующий сигнал, период которого определяется частотой ларморовской прецессии спина мюона во внутреннем поле B_i, w_m = g_m B_i, где g_m/2p=13.55 кГц/Гс представляет собой гиромагнитное отношение мюона. В реальной ситуации в веществе всегда присутствуют неоднородные статические поля  и динамические  флуктуирующие поля, обусловленные спин-спиновыми взаимодействиями. Эти поля приводят к спиновой деполяризации мюонов и несут информацию о локальных магнитных полях в исследуемой системе. Как известно, задача разделения вкладов от статических и динамических локальных полей является одной из актуальных проблем не только в мюонной спектроскопии, но и всей физики магнитных явлений и магнитной радиоспектроскопии. Получение достаточно точной информации об этих полях в отдельности представляет собой непростую задачу для традиционной спектроскопии mSR, существенно ограничивающей возможности данного метода. В этой связи весьма заманчивым представлялось реализовать в  mSR эффект спинового эха, который позволил бы разделять вклады от статических и динамических локальных полей на основе концептуально нового подхода для мюонной спектроскопии.

Сотрудниками предсказан и наблюден эффект спинового эха на мюонах в отсутствии внешнего магнитного поля, используя мюоны (m⁺), имплантированные в элемент периодической системы - бор (B) и соединение фосфид индия (InP). Была продемонстрирована возможность наблюдения эффекта мюонного эха в широком интервале температур (от гелиевых до комнатных температур) и варьирования времени задержки эхо-сигнала от 70 наносекунд до 15 микросекунд. Эксперименты были проведены на импульсном источнике мюонов в лаборатории им. Э.Резерфорда совместно с английскими учеными (Оксфорд, Великобритания). В отличии от стандартного Хановского эха, рефокуссировка поляризации мюонов, достигалась приложением только одного импульса магнитного поля (не радиочастотного), короткой (1микросекунда) длительности и умеренной (37 Гс) амплитуды, направленного вдоль исходной поляризации мюонов в момент времени t после его влета в вещество.

Развитый, концептуально новый подход, основанный на генерации спинового эха в отсутствии внешнего магнитного поля, открывает новые возможности для изучения внутренних локальных магнитных полей в веществе методом вращения спина мюона, резонанса и релаксации и является основой для мюонной спектроскопии высокого разрешения.

Литература:

1.  Моисеев С.А., Сулейманов Н.М.: Мюонное спиновое эхо. Письма в ЖЭТФ, 58, 500-503 (1996).
2.  Suleimanov N.M., Clark-Gayter M.A., Cottrel S.P.,.Cox S.F.J. Zero-field muon spin echo. ISIS Experimental Report. Rutherford Appleton Laboratory. RB Number: 9550, April 1999.
3.  Moiseev S.A., Nikiforov V.G., Mustafin R.G., and Suleimanov N.M. Muon spin echo in zero external magnetic field. Phys.Rev.B,  61, 5891 (2000).
4.  Suleimanov N.M., Moiseev S.A., Clark-Gayter M.A., Cottrel S.P., Cox . Zero-field muon spin echo. Special Issue of Physica B, 289-290, .687 (2000).