ОПТИ́ЧЕСКАЯ ОРИЕНТА́ЦИЯ

ОПТИ́ЧЕСКАЯ ОРИЕНТА́ЦИЯ, 1) па­ра­маг­нит­ных ато­мов га­за, ори­ен­та­ция в оп­ре­де­лён­ном на­прав­ле­нии уг­ло­вых мо­мен­тов (ме­ха­ни­че­ских) и свя­зан­ных с ни­ми маг­нит­ных мо­мен­тов ато­мов (или ио­нов) под дей­ст­ви­ем цир­ку­ляр­но по­ля­ри­зо­ван­но­го оп­тич. из­лу­че­ния ре­зо­нанс­ной час­то­ты. От­кры­та А. Ка­ст­ле­ром в 1953. О. о. яв­ля­ет­ся ча­ст­ным слу­ча­ем оп­тич. на­кач­ки – пе­ре­во­да ве­ще­ст­ва в не­рав­но­вес­ное со­стоя­ние в про­цес­се по­гло­ще­ния им све­та.

При О. о. в от­сут­ст­вие маг­нит­но­го по­ля уг­ло­вые мо­мен­ты ато­мов ори­ен­ти­ру­ют­ся вдоль или про­тив на­прав­ле­ния лу­ча ори­ен­ти­рую­ще­го све­та в за­ви­си­мо­сти от зна­ка кру­го­вой по­ля­ри­за­ции све­та, а так­же от со­че­та­ния ве­ли­чин уг­ло­во­го мо­мен­та в ос­нов­ном ($J_0$) и воз­бу­ж­дён­ном ($J$) со­стоя­ни­ях ато­ма. Воз­ни­ка­ет сум­мар­ный мак­ро­ско­пич. век­тор ори­ен­та­ции. Ве­ли­чи­на О. о. в слу­чае двух­уров­не­вых ато­мов ха­рак­те­ри­зу­ет­ся от­но­ше­ни­ем раз­но­сти на­се­лён­но­стей уров­ней к их сум­ме. При на­ли­чии маг­нит­но­го по­ля в сис­те­ме со­хра­ня­ет­ся про­ек­ция век­то­ра ори­ен­та­ции на на­прав­ле­ние век­то­ра маг­нит­ной ин­дук­ции.

Ес­ли за вре­мя жиз­ни воз­бу­ж­дён­но­го со­стоя­ния атом не под­вер­га­ет­ся столк­но­ве­ни­ям с пе­ре­во­ро­та­ми уг­ло­во­го мо­мен­та, то про­цесс О. о. мож­но рас­смат­ри­вать как след­ст­вие за­ко­на со­хра­не­ния про­ек­ции уг­ло­во­го мо­мен­та в сис­те­ме атом – из­лу­че­ние: ка­ж­дый фо­тон цир­ку­ляр­но по­ля­ри­зо­ван­но­го све­та, об­ла­даю­щий про­ек­ци­ей уг­ло­во­го мо­мен­та $\pm h$ ($h$ – по­сто­ян­ная План­ка) на на­прав­ле­ние сво­его рас­про­стра­не­ния, бу­ду­чи по­гло­щён, пе­ре­да­ёт этот уг­ло­вой мо­мент воз­бу­ж­дён­но­му ато­му – ори­ен­ти­ру­ет его. Спон­тан­ное ис­пус­ка­ние воз­вра­ща­ет атом в осн. со­стоя­ние, при­чём ори­ен­та­ция ато­ма в сред­нем со­хра­ня­ет­ся (вслед­ст­вие изо­троп­но­сти спон­тан­но­го ис­пус­ка­ния).

Ес­ли за вре­мя жиз­ни воз­бу­ж­дён­ных ато­мов их ори­ен­та­ция раз­ру­ша­ет­ся столк­но­ве­ния­ми, то ори­ен­та­ция ато­мов в ос­нов­ном со­стоя­нии мо­жет воз­ни­кать за счёт раз­ли­чия ве­ро­ят­но­стей воз­бу­ж­де­ния ато­мов, по-раз­но­му ори­ен­ти­ро­ван­ных от­но­си­тель­но лу­ча све­та. При этом ори­ен­та­ция сов­па­да­ет со зна­ком по­ля­ри­за­ции све­та, ес­ли $J_0 \geq J$, и про­ти­во­по­лож­на при $J_0 \lt J$. Это при­во­дит к за­ви­си­мо­сти зна­ка и ве­ли­чи­ны О. о. ато­мов от спек­траль­но­го со­ста­ва ори­ен­ти­рую­ще­го све­та.

Рав­но­вес­ное зна­че­ние О. о. ус­та­нав­ли­ва­ет­ся в ре­зуль­та­те кон­ку­рен­ции ори­ен­ти­рую­ще­го дей­ст­вия све­та, про­пор­цио­наль­но­го про­из­ве­де­нию ин­тен­сив­но­сти све­та на ве­ро­ят­ность по­гло­ще­ния, и про­цес­сов дез­ори­ен­та­ции за счёт меж­атом­ных столк­но­ве­ний и столк­но­ве­ний ори­ен­ти­ро­ван­ных ато­мов со стен­ка­ми со­су­да. Для ато­мов, уг­ло­вой мо­мент ко­то­рых име­ет чис­то спи­но­вую при­ро­ду, се­че­ния дез­ори­ен­ти­рую­щих столк­но­ве­ний с час­ти­ца­ми без спи­но­во­го мо­мен­та ока­зы­ва­ют­ся очень ма­лы­ми (ме­нее 10^–20 см² для инерт­ных га­зов). На этом ос­но­ва­но ис­поль­зо­ва­ние бу­фер­ных га­зов, ко­то­рые не раз­ру­ша­ют ори­ен­та­цию и од­но­вре­мен­но уве­ли­чи­ва­ют вре­мя диф­фу­зии ато­мов к стен­ке со­су­да, где ори­ен­та­ция те­ря­ет­ся. Для сни­же­ния ско­ро­сти ре­лак­са­ции на стен­ки со­су­да с ато­мар­ны­ми па­рá­ми на­но­сят по­кры­тия с ма­лой энер­ги­ей ад­сорб­ции ори­ен­ти­руе­мых ато­мов (напр., па­ра­фи­ны). Эти ме­то­ды по­зво­ля­ют до­стичь вре­мён ре­лак­са­ции спи­на вплоть до 1 с. Для чис­то ядер­ных па­ра­маг­не­ти­ков (ато­мы Zn, Cd, Hg, ³Не) вре­ме­на ре­лак­са­ции спи­на яд­ра мо­гут быть мно­го боль­ше. Дли­тель­ные вре­ме­на ре­лак­са­ции по­зво­ля­ют ори­ен­ти­ро­вать ато­мы све­том ма­лой ин­тен­сив­но­сти (<10^–3 Вт/см²).

Про­цесс О. о. ато­мов не­по­сред­ст­вен­но при­ме­ним к ато­мам ще­лоч­ных ме­тал­лов, ато­мам Zn, Cd, Hg, инерт­ных га­зов в ме­та­ста­биль­ных со­стоя­ни­ях и к не­кото­рым дру­гим. Пе­ре­страи­вае­мые ла­зе­ры да­ют воз­мож­ность ори­ен­ти­ро­вать не толь­ко ато­мы, но и мо­ле­ку­лы, для ко­то­рых ха­рак­тер­ны боль­шие се­че­ния раз­ру­ше­ния ори­ен­та­ции. Мн. объ­ек­ты, для ко­то­рых пря­мая О. о. не­осу­ще­ст­ви­ма (ато­мы с ли­ния­ми по­гло­ще­ния в не­дос­туп­ной спек­траль­ной об­лас­ти, ио­ны, сво­бод­ные элек­тро­ны), мо­гут ори­ен­ти­ро­вать­ся при столк­но­ве­ни­ях с не­по­сред­ст­вен­но ори­ен­ти­руе­мы­ми ато­ма­ми (т. н. спи­но­вый об­мен).

Тех­ни­ка О. о. ато­мов про­ста. Ато­мар­ный пар в про­зрач­ной кол­бе с бу­фер­ным га­зом (или бу­фер­ным по­кры­ти­ем сте­нок) об­лу­ча­ет­ся све­том га­зо­во­го раз­ря­да в па­р ́aх то­го же эле­мен­та, ато­мы ко­то­ро­го под­вер­га­ют­ся ори­ен­та­ции. Ори­ен­ти­рую­щий свет по­ля­ри­зу­ет­ся и фильт­ру­ет­ся по час­то­те. Маг­нит­ные по­ля, на­ла­гае­мые на ра­бо­чий объ­ём, из­ме­ня­ют со­стоя­ние ори­ен­та­ции, что фик­си­ру­ет­ся с по­мо­щью фо­то­де­тек­то­ра, из­ме­ряю­ще­го ин­тен­сив­ность про­шед­ше­го све­та. Час­то О. о. осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в атом­ных пуч­ках.

О. о. ато­мов вме­сте с оп­тич. де­тек­ти­ро­ва­ни­ем со­стоя­ния ори­ен­та­ции при­ме­ня­ет­ся в маг­ни­то­ре­зо­нанс­ных ис­сле­до­ва­ни­ях (ме­тод двой­но­го ра­дио­оп­тич. ре­зо­нан­са, ко­то­рый по чув­ст­ви­тель­но­сти на мно­го по­ряд­ков пре­вос­хо­дит обыч­ные ме­то­ды маг­нит­но­го ре­зо­нан­са). Для ис­сле­до­ва­ния маг­нит­но­го ре­зо­нан­са воз­бу­ж­дён­ных ато­мов этот ме­тод един­ст­вен­но воз­мо­жен.

О. о. ис­поль­зу­ет­ся в ис­сле­до­ва­ни­ях ра­дио­нук­ли­дов. Для ато­мов, яд­ра ко­то­рых об­ла­да­ют уг­ло­вым мо­мен­том, О. о. элек­трон­ной обо­лоч­ки со­про­во­ж­да­ет­ся ори­ен­та­ци­ей ядер, что об­на­ру­жи­ва­ет­ся по ани­зо­тро­пии вы­ле­та про­дук­тов рас­па­да ядер. Этот эф­фект по­зво­ля­ет про­во­дить из­ме­ре­ния изо­то­пич. сдви­гов и сверх­тон­кой струк­ту­ры спек­траль­ных ли­ний ко­рот­ко­жи­ву­щих изо­то­пов в очень ма­лых кон­цен­тра­ци­ях (еди­ни­цы ато­мов в 1 см³).

О. о. ато­мов при­ме­ня­ет­ся так­же для из­ме­ре­ния ве­ли­чи­ны маг­нит­но­го по­ля. Боль­шие вре­ме­на ре­лак­са­ции обес­пе­чи­ва­ют узость ли­ний маг­нит­но­го ре­зо­нан­са (еди­ни­цы Гц), что по­зво­ля­ет с боль­шой точ­но­стью из­ме­рять их час­то­ту и тем са­мым маг­нит­ную ин­дук­цию. Маг­ни­то­мет­ры, ра­бо­таю­щие на этом прин­ци­пе (кван­то­вые маг­ни­то­мет­ры), име­ют вы­со­кую чув­ст­ви­тель­ность (до 10^–12 Тл/Гц) и ис­поль­зу­ют­ся для из­ме­ре­ния гео­маг­нит­ных по­лей.

Для ато­мов, об­ла­даю­щих и элек­трон­ным, и ядер­ным уг­ло­вым мо­мен­том, воз­мо­жен осо­бый вид О. о., при ко­то­рой дос­ти­га­ет­ся вза­им­ная ори­ен­та­ция ядер­но­го и элек­трон­но­го уг­ло­вых мо­мен­тов с со­хра­не­ни­ем изо­троп­но­сти рас­пре­де­ле­ния сум­мар­но­го уг­ло­во­го мо­мен­та. Этот тип О. о., на­зы­вае­мый сверх­тон­кой оп­тич. на­кач­кой, при­ме­ня­ет­ся в оп­ти­че­ских стан­дар­тах час­то­ты.

2) Оп­ти­че­ская ори­ен­та­ция спи­нов но­си­те­лей за­ря­да в по­лу­про­вод­ни­ках, воз­ник­но­ве­ние пре­иму­ще­ст­вен­но­го на­прав­ле­ния спи­нов но­си­те­лей за­ря­да и взаи­мо­дей­ст­вую­щих с ни­ми ядер­ных спи­нов при ос­ве­ще­нии по­лу­про­вод­ни­ка цир­ку­ляр­но по­ля­ри­зо­ван­ным све­том. При пра­вой по­ля­ри­за­ции спи­ны ори­ен­ти­ру­ют­ся про­ти­во­по­лож­но све­то­во­му лу­чу, при ле­вой – вдоль не­го. О. о. обу­слов­ле­на пе­ре­да­чей уг­ло­во­го мо­мен­та цир­ку­ляр­но по­ля­ри­зо­ван­ных фо­то­нов но­си­те­лям за­ря­да и яд­рам. Спи­но­вая ори­ен­та­ция но­си­те­лей воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те спин-ор­би­таль­но­го взаи­мо­дей­ст­вия. Ядер­ные спи­ны ори­ен­ти­ру­ют­ся за счёт сверх­тон­ко­го взаи­мо­дей­ст­вия с фо­то­воз­бу­ж­дён­ны­ми ори­ен­ти­ро­ван­ны­ми элек­тро­на­ми. Су­ще­ст­вен­ное от­ли­чие О. о. в по­лу­про­вод­ни­ках от О. о. па­ра­маг­нит­ных ато­мов га­за обу­слов­ле­но ани­зо­тро­пи­ей кри­стал­ла и кол­лек­тив­ным ха­рак­те­ром взаи­мо­дей­ствия элек­трон­ных и ядер­ных спи­нов.

Труд­ность на­блю­де­ния О. о. в по­лу­про­вод­ни­ках свя­за­на с её бы­ст­рой ре­лак­са­ци­ей. Ха­рак­тер­ные вре­ме­на $\tau$ спи­но­вой ре­лак­са­ции для элек­тро­нов по­ряд­ка 10^–7-10^–10 с, для ды­рок $\tau$∼10^–10-10^–13 с (что на мно­го по­ряд­ков мень­ше $\tau$ сво­бод­ных ато­мов в га­зах). Спи­но­вая сис­те­ма ядер ре­лак­си­ру­ет мед­лен­но: $\tau$∼10^–2-1 с в кри­стал­лах А^IIIB^V и $\tau$∼10²-10⁵ с в Si.

Ме­то­ды об­на­ру­же­ния О. о. в по­лу­про­вод­ни­ках ос­но­ва­ны ли­бо на воз­мож­но­сти на­блю­де­ния ори­ен­ти­ро­ван­ных но­си­те­лей за вре­ме­на, мень­шие $\tau$ (ме­тод по­ля­ри­зо­ван­ной лю­ми­нес­цен­ции), ли­бо на на­блю­де­нии рав­но­вес­ной ядер­ной на­маг­ни­чен­но­сти, со­хра­няю­щей­ся дли­тель­ное вре­мя (ме­то­ды ядер­но­го маг­нит­но­го ре­зо­нан­са и кван­то­вой маг­ни­то­мет­рии). При­ме­ня­ют так­же ме­тод, ос­но­ван­ный на цир­ку­ляр­ном фо­то­галь­ва­нич. эф­фек­те, в ко­то­ром О. о. спи­нов при­во­дит к по­яв­ле­нию элек­трич. то­ка.

С по­мо­щью О. о. ис­сле­ду­ют ки­не­тич. и ре­лак­са­ци­он­ные яв­ле­ния в по­лу­про­вод­ни­ках, па­ра­мет­ры их зон­ной струк­ту­ры и де­фек­ты кри­стал­лич. ре­шёт­ки.