迄今第一次觀察到核巴內(nèi)特效應(yīng)！20世紀(jì)歐文·理查森預(yù)言并由塞繆爾·巴尼特首次觀察到電子的巴尼特效應(yīng)，是一個(gè)不帶電物體在繞長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的磁化效應(yīng)。這是由于電子自旋的角動(dòng)量和桿旋轉(zhuǎn)之間的耦合造成。

現(xiàn)在紐約大學(xué)兩名研究人員用一種不同于巴尼特所使用的方法，觀察到了這種效應(yīng)的另一種版本，稱為核巴尼特效應(yīng)，它是由質(zhì)子而不是電子的磁化引起。其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(PRL)上，首次對(duì)這種效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察。進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員之一莫森·阿拉貝爾(Mohsen Arabgol)說(shuō)：

紐約大學(xué)一群同事參與了一個(gè)與大腦成像有關(guān)的項(xiàng)目，該項(xiàng)目背后的基本理念是通過(guò)利用巴尼特效應(yīng)誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)，然后應(yīng)用mri成像，使大腦分子極化，我對(duì)此很感興趣，決定在博士論文中研究探測(cè)巴內(nèi)特核效應(yīng)。最初，Arabgol和導(dǎo)師Tycho Sleator想要通過(guò)將光的軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到樣品中來(lái)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中使用的物體旋轉(zhuǎn)，很快意識(shí)到這種技術(shù)并沒(méi)有真正發(fā)揮作用。因此決定采用一種更有前途的方法，使用機(jī)械轉(zhuǎn)輪來(lái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。機(jī)械旋轉(zhuǎn)器能夠使旋轉(zhuǎn)更大的水樣本，轉(zhuǎn)速接近每秒15000轉(zhuǎn)。

最后能夠證明核巴尼特效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，Arabgol和Sleator使用商用旋轉(zhuǎn)渦輪將水樣本旋轉(zhuǎn)到非常高的速度。還使用了一種非標(biāo)準(zhǔn)的核磁共振(NMR)機(jī)器，該機(jī)器的設(shè)計(jì)工作在低頻率。這與商業(yè)核磁共振系統(tǒng)形成了鮮明的對(duì)比，后者的工作頻率很高。在實(shí)驗(yàn)中尋找核磁共振信號(hào)的變化，它與核磁共振頻率成反比。想要一個(gè)低頻核磁共振儀器，不得不自己設(shè)計(jì)和組裝部件。為了將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字，最終使用了一臺(tái)運(yùn)行在1兆赫以下的設(shè)備，并開(kāi)始搜索信號(hào)中幾個(gè)(1%到3%)的變化。

如果想要使用標(biāo)準(zhǔn)儀器，必須尋找信號(hào)中幾個(gè)數(shù)量級(jí)以下的變化，這是不可能的，因?yàn)橛懈鞣N各樣的噪音。Arabgol和Sleator使用的核磁共振技術(shù)稱為CPMG-Add，通過(guò)處理一系列非常微弱的信號(hào)(或回波)來(lái)工作。由此產(chǎn)生的信號(hào)足夠強(qiáng)，很容易被研究人員的裝置檢測(cè)到，以至于達(dá)到的轉(zhuǎn)速使其發(fā)生了很大變化。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的美妙之處在于，它沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種非凡的技術(shù)或使用一種新穎的儀器，而是發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中許多參數(shù)非常狹窄的組合，并以對(duì)各種可用噪音的最高關(guān)注和意識(shí)來(lái)運(yùn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)。

”最有趣的發(fā)現(xiàn)是，事實(shí)上，僅僅通過(guò)旋轉(zhuǎn)一個(gè)樣品就可以磁化質(zhì)子。這非常令人興奮，因?yàn)檫@種效應(yīng)的電子對(duì)應(yīng)物在近100年前就已經(jīng)被觀測(cè)到，不確定是否可能對(duì)質(zhì)子做同樣的事情，尤其是考慮到同樣的效應(yīng)在質(zhì)子中比電子小近700倍。Arabgol和Sleator的第一個(gè)磁化質(zhì)子，獲得了對(duì)核巴尼特效應(yīng)的可靠觀測(cè)。研究的另一個(gè)有趣方面是，觀察到的磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。這是特別值得注意的，因?yàn)檠芯咳藛T到目前為止通常通過(guò)施加磁場(chǎng)使物體磁化。然而，由Arabgol和Sleator進(jìn)行的研究證明，還有其他機(jī)制可以誘導(dǎo)磁化，而不一定產(chǎn)生磁場(chǎng)。

從理論角度來(lái)看，這些觀測(cè)結(jié)果加強(qiáng)了目前對(duì)磁化和旋轉(zhuǎn)之間關(guān)系的理解。從實(shí)用角度來(lái)看，可以通過(guò)引入一種不需要磁鐵就能誘導(dǎo)磁化的新技術(shù)來(lái)幫助開(kāi)發(fā)超低頻核磁共振系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)液體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，下一步很有邏輯，就是驗(yàn)證固體燃料的結(jié)果。用同樣的技術(shù)測(cè)量固體的巴尼特效應(yīng)會(huì)困難得多。正如之前所解釋的，這種影響非常小，最終只有非常有限的參數(shù)組合才能起作用，不幸的是，幾乎不可能找到固體的這種組合。然而，值得注意的是，只是解決這一問(wèn)題的一種方法，其他技術(shù)可能更有前景。

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參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.177202

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