Описать строение и свойства вещества – это постоянная задача современной физики во все времена) С каждым новым поколением физиков знания о материи становятся все сложнее и требуют все более сложных теорий. Какие-то теории быстро опровергаются, а какие-то оказываются удачными и используются десятилетиями.
В 1920-ые годы бурно развивалась квантовая механика, в рамках которой возникла концепция обменного взаимодействия одинаковых частиц (электронов, например), объясняющая зависимость энергии системы из таких частиц от её полного спина. Отмечу, что спин – это единственная в квантовой механике величина, характеризующая ориентацию частицы, а обменное взаимодействие – это чисто квантовый эффект, исчезающий при предельном переходе к классической механике. Т.е. в микромире становится важной даже взаимная ориентация частиц.
Толчком для создания концепции обмена послужило исследование спектров излучения атома гелия, структуру которых смог проинтерпретировать в 1926-ом году Вернер Гейзенберг. Здесь обменное взаимодействие позволило объяснить существование двух «типов» гелия: орто- и парагелия. Как оказалось, два таких состояния гелия отличаются друг от друга как раз взаимной ориентацией электронов. Следующим шагом стала демонстрация роли обменного взаимодействия в химии на примере молекулы водорода, проведенная Вальтером Гайтлером и Фрицем Лондоном в 1927-ом году. В том же году Гейзенберг, основываясь на работах Дирака, предложил математическую модель с обменным взаимодействием спинов, описывающую явление ферромагнетизма/ антиферромагнетизма, когда вследствие упорядочения магнитные моменты атомов в магнетиках, зависящие от спинов их электронов, по большей части становятся попарно параллельными либо антипараллельными друг другу.
Как это часто бывает, физикам до сих пор не удается получить общий аналитический ответ в виде формулы даже для сильно упрощенной модели кристалла. Но получается численными методами находить решение для каждого конкретного случая. Правда, для этого все равно нужно иметь некоторое представление о решении заранее, т.к. общее число решений для такой системы чрезвычайно велико, и нужно уметь определять среди них не имеющие смысла.
Такой критерий выбора решений предложил Ханс Бете в 1931 году, когда выдвинул гипотезу, что решение можно «сплести» из «струн», состоящих из ориентированных друг за другом спинов, принадлежащих нескольким соседним узлам кристаллической решетки.
До последнего времени не удавалось подтвердить или опровергнуть догадку Бете, т.к. эти «струнные» состояния из-за их нестабильности не обнаруживались при нормальных экспериментальных условиях. Да и другие особенности исследуемых систем их хорошо маскировали. Но недавно международной команде физиков все-таки удалось пронаблюдать «струны» Бете воочию.
Основой эксперимента стали кристаллы антиферромагнетика SrCo2V2O8, в которых магнитными моментами обладают только атомы кобальта, выровненные в одном направлении. При этом моменты попарно антипараллельны, что делает такой кристалл идеальным примером одномерного антиферромагнетика. В качестве детектора выступила установка с берлинским источником нейтронов BER II, где получилось исследовать рассеяние нейтронов на кристалле, помещенном в сверхсильное магнитное поле вплоть до 25,9 Тесла, которое «выделило» «струны» за счет возбуждения кристалла. В результате были получены данные, обработка которых позволила четко идентифицировать несколько «струн» Бете и определить их свойства.
Красивое и тонкое исследование, показывающее талант Бете и мощь квантовой физики.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.
