В их опытах в закрытом сосуде 1, воздух из которого откачан насосом до высокого вакуума, находились две горизонтально расположенные металлические пластины 2. Между ними через трубку 3 помещали

В их опытах в закрытом сосуде 1, воздух из которого откачан насосом до высокого вакуума, находились две горизонтально расположенные металлические пластины 2. Между ними через трубку 3 помещали облако заряженных металлических пылинок или капелек масла. За ними наблюдали в микроскоп 4 со специальной шкалой, позволявший наблюдать за их оседанием (падением) вниз.

	Предположим, что пылинки или капельки до помещения между пластинами были заряжены отрицательно. Поэтому их оседание (падение) можно остановить, если нижнюю пластину зарядить отрицательно, а верхнюю – положительно. Так и поступали, добиваясь равновесия пылинки (капельки), за которой наблюдали в микроскоп. Затем заряд пылинок (капелек) уменьшали, действуя на них ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. Пылинки (капельки) начинали падать, так как уменьшалась поддерживающая электрическая сила. Сообщая металлическим пластинам дополнительный заряд и этим усиливая электрическое поле, пылинку снова останавливали. Так поступали несколько раз, каждый раз по специальной формуле вычисляя заряд пылинок. Опыты Милликена и Иоффе показали, что заряды капель и пылинок всегда изменяются скачкообразно. Минимальная «порция» электрического заряда – элементарный электрический заряд, равный e = 1,6·10^-19 Кл. Однако заряд пылинки уходит не сам по себе, а вместе с частицей вещества. Следовательно, в природе существует такая частица вещества, которая имеет самый маленький заряд, далее уже неделимый - заряд электрона. Благодаря экспериментам Иоффе-Милликена существование электрона превратилось из гипотезы в научно подтверждённый факт.

Возьмём катушку, которая может вращаться вокруг своей оси. Концы катушки с помощью скользящих контактов замкнуты на гальванометр. Если находящуюся в быстром вращении катушку резко затормозить, то свободные заряды в проволоке продолжат двигаться по инерции, в результате чего гальванометр должен зарегистрировать импульс тока.

Линейное ускорение катушки при торможении направлено вдоль проводов. При торможении к каждому свободному заряду приложена сила инерции . Под её действием заряд ведёт себя в металле так, как если бы на него действовало электрическое поле:

Поэтому электродвижущая сила в катушке равна:

Где — длина катушки проводника. Запишем закон Ома:

Где — сила тока, а — сопротивление во всей цепи, включая гальванометр. Количество зарядов, протекающее через поперечное сечение проводника за время при силе тока , равно:

Где — заряд, пробежавший через гальванометр, — длина проводника в катушке. Тогда за время торможения через гальванометр пройдёт заряд:

В сентябре этого года в журнале Applied Physics Letters появилось сообщение американских ученых о наблюдении эффекта Эйнштейна-де Гааза в пленке пермаллоя, осажденной на микрокантилевер (упругая консоль, на которой в атомном силовом микроскопе крепится зонд) [1]. Чем же интересно повторение этого классического эксперимента, пусть даже и на микроуровне? Для того, чтобы разобраться в этом, возвратимся в начало XX-го века, когда была экспериментально доказана связь магнитного момента частиц с их механическим моментом: 1915 год ознаменовался открытием сразу двух таких эффектов: эффекта Эйнштейна-де Гааза (возникновение вращающего момента при намагничивании тела) и обратного ему эффекта Барнетта (возникновение дополнительного магнитного момента у ферромагнетика, приведенного во вращение) [2].

а) Опыт Эйнштейна-де-Гааза	б) Магнитомеханический эффект в тонкой пленке [1]

Схема опыта Эйнштейна-де Гааза изображена на рисунке а) [3]. На тонкой стеклянной нити был подвешен железный стержень толщиной в 2 мм внутри соленоида, создававшего переменное магнитное поле. Магнитные моменты атомов ориентировались в поле, что вело также к изменению ориентации их механических моментов. Так как полный момент количества движения оставался неизменным, то тело в целом получало момент количества в противоположном направлении. При периоде колебаний тока в катушке, равном периоду собственных крутильных колебаний стержня, наблюдали резонансное усиление амплитуды колебаний, которое детектировали с помощью луча, отраженного от легкого зеркальца, прикрепленного на стержне. Именно с помощью эффекта Эйнштейна-де Гааза впервые определили гиромагнитное отношение g (отношение магнитного момента к механическому моменту частицы) и показали, что в 3 d -переходных металлах (Fe,Co,Ni) магнитный момент имеет спиновое происхождение. Позднее, развитие резонансных методов определения гиромагнитного отношения привело к тому, что магнитомеханические методы утратили значение и долгое время представляли скорее исторический интерес [2].

Однако появление новой области микроэлектроники - спинтроники и развитие устройств магнитной памяти вызвало потребность в альтернативных, не основанных на явлении магнитного резонанса методах: СВЧ излучение, используемое в магниторезонансных измерениях приводит к нерезонансному воздействию СВЧ волн на систему, которое искажает результаты, особенно при исследовании многослойных структур. Пришло время магнитомеханическим эффектам вернуться со страниц учебников по истории физики в современную науку.

В основе эксперимента с кантилевером лежит та же идея, что и в опыте Энштейна-де Гааза: использовать механический резонанс для наблюдения небольших по величине вращающих моментов, порождаемых магнитным полем. В соленоид помещали микрокантилевер размерами 200мкм×20мкм×600нм с напыленной на него пленкой пермаллоя Ni₈₀Fe₂₀ толщиной в 50нм (рис. б). Переменное поле H, порождаемое катушкой, приводит, вследствие магнитомеханического эффекта, к возникновению изгибных колебаний кантилевера, амплитуда которых достигает максимума при механическом резонансе. Амплитуду колебаний детектировали оптическим способом с помощью интерферометра на оптическом волокне, конец которого располагали на расстоянии десятка микрон от иглы кантилевера.

В результате измерений была получена линейная зависимость амплитуды изгибных колебаний кантилевера от амплитуды колебаний намагниченности пленки, по которой была определена величина гиромагнитного отношения пленки g =1.8±0.1, отличающаяся от величины g =1.91 для объемного образца пермаллоя. Предстоит еще работа по совершенствованию метода: избавиться от влияния температурных колебаний, улучшить магнитометрические измерения и т.д. Однако уже сейчас можно сказать, что магнитомеханический метод представляет интерес как альтернативный магниторезонансному для исследования тонких магнитных пленок и наноструктурированных материалов.

ОПЫТ БАРНЕТА

Небольшой железный стержень приводился в быстрое (более 100 об/с) вращение вокруг своей оси. При этом наблюдалось слабое намагничивание стержня, и на том его конце, где вращение происходило по часовой стрелке, возникал северный полюс, а на противоположном − южный. Причиной эффекта Барнетта является тот факт, что электроны в атомах, обладая магнитным моментом, обладают и определенным моментом количества движения. Как было показано ранее, оба этих момента связаны друг с другом гиромагнитным соотношением, поэтому при вращении цилиндра «электронные волчки» будут стремиться, подобно гироскопам, ориентироваться так, чтобы их моменты количества движения были параллельны оси вращения цилиндра. Такая упорядоченная ориентация моментов количества движения неизбежно приводит к упорядочению магнитных моментов, а значит, к намагничиванию железного стержня.

Опыт Штерна и Герлаха. Оптические эксперименты дают вполне достаточные доказательства квантования энергии атомов. Другой вид квантования - пространственное квантование, утверждающее дискретность проекции магнитного момента атома на направление внешнего магнитного поля, демонстрируется экспериментом с атомными пучками, выполненным О.Штерном и В.Герлахом в 1922 г.

Для атома водорода пространственное квантование орбитального магнитного момента описывается формулой (5.42). Для более сложных многоэлектронных атомов эта формула несколько видоизменяется (см. раздел 5.6). Однако и для таких атомов остается в силе основной вывод квантовой теории: проекция магнитного момента атома на направление внешнего магнитного поля может иметь только дискретные квантовые значения.

В опыте Штерна и Герлаха пространственное квантование для атомных систем демонстрируется следующим образом. Путем испарения в вакуумной печи атомов серебра или другого металла с помощью тонких щелей формируется узкий атомный пучок (А.П. на рис. 5.10а). Этот пучок пропускается через неоднородное магнитное поле с существенным градиентом магнитной индукции. Индукция магнитного поля в опыте велика и направлена вдоль оси .

Для создания такого магнитного поля используется магнит с ножевидным полюсным наконечником (рис. 5.10б), вблизи которого на достаточно малом расстоянии пропускается атомный пучок.

На пролетающие в зазоре магнита атомы вдоль направления магнитного поля действует сила

,

(5.43)

Рис. 5.10a.

Рис. 5.10б.

обусловленная градиентом индукции неоднородного магнитного поля и зависящая от величины проекции магнитного момента атома на направление поля. Эта сила отклоняет движущийся атом в направлении оси , причем за время пролета магнита движущийся атом отклоняется тем больше, чем больше величина силы (5.43). При этом одни атомы отклоняются вверх, а другие вниз.

С позиций классической физики, магнитный момент атомов вследствие их хаотичного теплового движения, при влете в магнитное поле может иметь любое направление в пространстве. Это соответствует непрерывному распределению значений для различных атомов и, соответственно, любым различным отклонениям атомов. В результате, пролетевшие через магнит атомы серебра должны были образовать сплошную широкую зеркальную полосу на стеклянной пластинке.

Если же, как предсказывает квантовая теория, имеет место пространственное квантование, и проекция магнитного момента атома принимает только определенные дискретные значения, то под действием силы (5.43) атомный пучок должен расщепиться на дискретное число пучков, которые, оседая на стеклянной пластинке, дают серию узких дискретных зеркальных полосок из напыленных атомов. Именно этот результат наблюдался в эксперименте.

Дата добавления: 2015-08-28