оптическая ориентация

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.

Лит.: Скроцкий Г. В., Изюмова Т. Г., Оптическая ориентация атомов и ее применения, "УФН", 1961, т. 73, с. 423; Дьяконов М. И. и др., Ориентация электронных спинов в полупроводниках, "УФН", 1971, т. 105, с. 772; Нарреr W., Optical pumping, "Rev. Mod. Phys.", 1972, v. 44, № 2, p. 169; Optical orientation, Amst. - [a. o.], 1984.

Е. Б. Александров.

   <<      Предметный указатель      >>