RÉSONANCE MAGNÉTIQUE

Polarisation dynamique nucléaire

La polarisation d'un système de spins est définie comme le rapport de son aimantation le long d'une direction avec l'aimantation maximale qu'il est capable d'avoir. Prenons, par exemple, le cas des protons, dont chaque moment magnétique ne peut avoir que deux orientations opposées le long d'un champ magnétique ; la polarisation d'un système de protons est égale à l'excès relatif des moments magnétiques pointant dans une direction par rapport à ceux qui pointent dans la direction opposée. La polarisation nucléaire à l'équilibre thermique est toujours très faible dans les situations expérimentales que l'on sait réaliser. Cela provient de ce que la différence d'énergie entre états résultant de l'effet Zeeman est beaucoup plus faible que l'énergie d'agitation thermique. Cela n'est pas vrai pour les moments magnétiques électroniques, beaucoup plus grands que les moments nucléaires, et dont la polarisation d'équilibre thermique en champ magnétique élevé et à basse température peut devenir très proche de l'unité. Si, dans un cristal contenant des spins nucléaires, on introduit une faible proportion de spins électroniques, il est possible, grâce au couplage entre moments électroniques et nucléaires, de provoquer au moyen d'une irradiation magnétique de fréquence appropriée des transitions correspondant au renversement simultané des orientations d'un spin électronique et d'un spin nucléaire. Un bilan détaillé de ces transitions et des transitions de relaxation spin-réseau montre que l'on peut ainsi conférer aux spins nucléaires une polarisation égale ou opposée à la polarisation d'équilibre thermique des spins électroniques. Ce processus de polarisation dynamique porte le nom d'effet solide. La réalisation d'échantillons à grande concentration de spins nucléaires fortement polarisés a trouvé une importante application dans les études de physique nucléaire et de physique des particules élémentaires. Une méthode largement utilisée dans ces études consiste à bombarder une cible nucléaire par des particules accélérées et à tirer des résultats de ce bombardement des renseignements sur les interactions entre particules, dont la connaissance conditionne notre compréhension du monde physique. L'emploi de cibles nucléaires polarisées permet d'étudier le rôle, qui est fondamental, de l'orientation de spin sur ces interactions. Un exemple récent et particulier de ce genre d'études est la mesure de l'influence de l'orientation de spin sur la diffusion des neutrons par les noyaux atomiques. Une autre application de la polarisation dynamique nucléaire est le refroidissement des systèmes de moments magnétiques nucléaires. On montre en effet que l'augmentation de la polarisation nucléaire, au-delà de sa valeur d'équilibre thermique dans un champ magnétique donné, est équivalente au refroidissement des spins. Si l'on supprime ensuite le champ magnétique, les interactions entre les spins froids peuvent donner naissance, par effet coopératif, à un état magnétique ordonné. On a pu ainsi produire et observer des états ordonnés ferromagnétiques et antiferromagnétiques dans des systèmes nucléaires soumis à des interactions spin-spin dipolaires et vérifier les prévisions théoriques relatives à ces états. Ces expériences nous font sortir du domaine du paramagnétisme qui, par définition, concerne les états où n'existe pas d'ordre coopératif, où étaient jusque-là confinées les études de magnétisme nucléaire. Les températures nécessaires pour atteindre de tels états ordonnés sont inférieures au microdegré. Elles peuvent être aussi bien positives que négatives. Ce sont les températures les plus basses où évoluent encore des phénomènes physiques.[...]