Den elektroniska Barnett-effekten, observerades första gången av Samuel Barnett 1915, är magnetiseringen av en oladdad kropp när den snurras på sin långa axel. Detta orsakas av en koppling mellan vinkelmomentet för de elektroniska spinnen och stavens rotation.

Med en annan metod än den som användes av Barnett, två forskare vid NYU observerade en alternativ version av denna effekt som kallas den nukleära Barnett-effekten, som är resultatet av magnetisering av protoner snarare än elektroner. Deras studie, publicerad i Fysiska granskningsbrev ( PRL ), ledde till den första experimentella observationen av denna effekt.

"Jag var en doktorand vid NYU där en grupp kollegor var involverade i ett projekt relaterat till hjärnavbildning, "Mohsen Arabgol, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. Den grundläggande idén bakom projektet var att polarisera hjärnmolekylerna genom att inducera rotation med hjälp av Barnett-effekten och sedan tillämpa MRI-typ avbildning. Jag blev intresserad och bestämde mig för att arbeta med upptäckten av den nukleära Barnett-effekten som min doktorsexamen. avhandling."

Initialt, Arabgol och hans handledare Tycho Sleator ville driva rotation av kroppen som användes i sina experiment genom att överföra ljusets vinkelmoment i provet. De insåg snart att den här tekniken inte riktigt fungerade, och bestämde sig därför för att använda en mer lovande metod med hjälp av en mekanisk spinner för att driva rotation.

"Den mekaniska spinnern tillät oss att snurra ett större vattenprov upp till hastigheter nära 15, 000 varv per sekund, och slutligen, vi kunde visa den nukleära Barnett-effekten, sa Arabgol.

I deras experiment, Arabgol och Sleator använde en kommersiell spinnerturbin för att rotera ett vattenprov upp till mycket höga hastigheter. De använde också en icke-standardiserad kärnmagnetisk resonans (NMR) maskin som är designad för att fungera vid låga frekvenser. Detta står i skarp kontrast till kommersiella NMR-system, som arbetar med hög frekvens.

"I vårt experiment, vi letade efter en förändring i NMR-signalen som var omvänt proportionell mot NMR-frekvensen, " sa Arabgol. "Så ironiskt nog, vi ville ha en lågfrekvent NMR-apparat, och vi fick designa och montera delarna själva. För att sätta detta i siffror, det slutade med att vi arbetade med en apparat som fungerade på mindre än 1 MHz, och vi började söka efter några (1 till 3) procents förändring i signalen. Om vi ​​ville använda en standardapparat, vi var tvungna att söka efter en förändring i signalen några storleksordningar mindre, vilket är omöjligt på grund av olika ljud."

NMR-tekniken som används av Arabgol och Sleator, kallas CPMG-Add, fungerar genom att bearbeta en serie mycket svaga signaler (eller ekon). Den resulterande signalen var tillräckligt stark för att lätt upptäckas av forskarnas inställningar, till den grad att de uppnådda rotationshastigheterna ändrade den avsevärt.

"Så långt jag kan säga, skönheten med detta experiment var att inte hitta en extraordinär teknik eller att använda en ny apparat, men att hitta den mycket snäva kombinationen av många parametrar i experimentet och köra hela experimentet med högsta noggrannhet och medvetenhet om olika tillgängliga ljud, " sa Arabgol. "Vår mest intressanta observation var att det är, faktiskt, möjligt att magnetisera protoner bara genom att rotera ett prov. Det var ganska spännande, eftersom den elektroniska motsvarigheten till denna effekt hade observerats för nästan 100 år sedan och vi var inte säkra på om det var möjligt att göra samma sak för protoner, speciellt med tanke på att samma effekt är nästan 700 gånger mindre i protoner jämfört med elektroner."

Arabgol och Sleator var de första som magnetiserade protoner, uppnå en tillförlitlig observation av den nukleära Barnett-effekten. En annan intressant aspekt av deras studie är att magnetiseringen de observerade inte har något med magnetfält att göra. Detta är särskilt anmärkningsvärt, eftersom forskare hittills vanligtvis har magnetiserat föremål genom att applicera ett magnetfält på dem. Studien utförd av Arabgol och Sleator, dock, bevisar att det finns, faktiskt, andra mekanismer som kan inducera magnetisering utan att nödvändigtvis skapa ett magnetfält.

Ur en teoretisk synvinkel, dessa observationer förbättrar den nuvarande förståelsen av sambandet mellan magnetisering och rotation. Ur praktisk synvinkel, de skulle kunna hjälpa utvecklingen av ultralågfrekventa NMR-system genom att introducera en ny teknik för att inducera magnetisering som inte kräver magneter.

"Vi genomförde vårt experiment för vätskor, ", sa Arabgol. "Ett mycket logiskt nästa steg skulle vara att validera resultaten för fasta ämnen. Att mäta Barnett-effekten för fasta ämnen skulle vara mycket svårare med samma teknik. Som vi förklarade tidigare, effekten är så liten att endast en mycket snäv kombination av parametrar till slut fungerade, och tyvärr, det är nästan omöjligt att hitta en sådan kombination för fasta ämnen. Det är anmärkningsvärt, dock, att vårt bara är ett sätt att ta itu med detta problem. Andra tekniker (t.ex. SQUID-baserade metoder) kan vara mer lovande."

© 2019 Science X Network