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    迄今第一次观察到核巴尼特效应!

    迄今第一次观察到核巴内特效应!20世纪欧文·理查森预言并由塞缪尔·巴尼特首次观察到电子的巴尼特效应,是一个不带电物体在绕长轴旋转时的磁化效应。这是由于电子自旋的角动量和杆旋转之间的耦合造成。现在纽约大学两名研究人员用一种不同于巴尼特所使用的方法,观察到了这种效应的另一种版本,称为核巴尼特效应,它是由质子而不是电子的磁化引起。其研究发现发表在《物理评论快报》(PRL)上,首次对这种效应进行了实验观察。进行这项研究的研究人员之一莫森·阿拉贝尔(Mohsen Arabgol)说:

    迄今第一次观察到核巴尼特效应!

    纽约大学一群同事参与了一个与大脑成像有关的项目,该项目背后的基本理念是通过利用巴尼特效应诱导旋转,然后应用mri成像,使大脑分子极化,我对此很感兴趣,决定在博士论文中研究探测巴内特核效应。最初,Arabgol和导师Tycho Sleator想要通过将光的轨道角动量转移到样品中来驱动实验中使用的物体旋转,很快意识到这种技术并没有真正发挥作用。因此决定采用一种更有前途的方法,使用机械转轮来驱动旋转。机械旋转器能够使旋转更大的水样本,转速接近每秒15000转。

    迄今第一次观察到核巴尼特效应!

    (博科园-图示)实验示意图,外径(OD);内径(ID)

    最后能够证明核巴尼特效应。在实验中,Arabgol和Sleator使用商用旋转涡轮将水样本旋转到非常高的速度。还使用了一种非标准的核磁共振(NMR)机器,该机器的设计工作在低频率。这与商业核磁共振系统形成了鲜明的对比,后者的工作频率很高。在实验中寻找核磁共振信号的变化,它与核磁共振频率成反比。想要一个低频核磁共振仪器,不得不自己设计和组装部件。为了将其转化为数字,最终使用了一台运行在1兆赫以下的设备,并开始搜索信号中几个(1%到3%)的变化。

    迄今第一次观察到核巴尼特效应!

    图表示实验背后的主要原理。图片:Mohsen Arabgol

    如果想要使用标准仪器,必须寻找信号中几个数量级以下的变化,这是不可能的,因为有各种各样的噪音。Arabgol和Sleator使用的核磁共振技术称为CPMG-Add,通过处理一系列非常微弱的信号(或回波)来工作。由此产生的信号足够强,很容易被研究人员的装置检测到,以至于达到的转速使其发生了很大变化。这个实验的美妙之处在于,它没有发现一种非凡的技术或使用一种新颖的仪器,而是发现了实验中许多参数非常狭窄的组合,并以对各种可用噪音的最高关注和意识来运行整个实验。

    迄今第一次观察到核巴尼特效应!

    图示信号变化与旋转

    最有趣的发现是,事实上,仅仅通过旋转一个样品就可以磁化质子。这非常令人兴奋,因为这种效应的电子对应物在近100年前就已经被观测到,不确定是否可能对质子做同样的事情,尤其是考虑到同样的效应在质子中比电子小近700倍。Arabgol和Sleator的第一个磁化质子,获得了对核巴尼特效应的可靠观测。研究的另一个有趣方面是,观察到的磁化强度与磁场无关。这是特别值得注意的,因为研究人员到目前为止通常通过施加磁场使物体磁化。然而,由Arabgol和Sleator进行的研究证明,还有其他机制可以诱导磁化,而不一定产生磁场。

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    • 图示通过高速旋转液体来磁化水中的氢原子核,图片:APS/Alan Stonebraker

    从理论角度来看,这些观测结果加强了目前对磁化和旋转之间关系的理解。从实用角度来看,可以通过引入一种不需要磁铁就能诱导磁化的新技术来帮助开发超低频核磁共振系统。同时对液体进行了实验,下一步很有逻辑,就是验证固体燃料的结果。用同样的技术测量固体的巴尼特效应会困难得多。正如之前所解释的,这种影响非常小,最终只有非常有限的参数组合才能起作用,不幸的是,几乎不可能找到固体的这种组合。然而,值得注意的是,只是解决这一问题的一种方法,其他技术可能更有前景。

    博科园|Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli,Phys

    参考期刊《物理评论快报》

    DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.177202

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