아인슈타인 드 하스 효과

Einstein–de Haas effect

아인슈타인-드 하스 효과는 자유 물체의 자기 모멘트의 변화가 이 물체를 회전시키는 물리적 현상입니다. 효과는 각운동량 보존의 결과입니다. 강자성 물질에서 관찰할 수 있을 정도로 강합니다. 실험적 관찰과 정확한 효과 측정을 통해 물질 내 전자각운동량이 자화축을 따라 정렬(편광)되어 자화 현상이 발생함을 알 수 있었습니다. 또한 이러한 측정을 통해 자화에 대한 두 가지 기여를 분리할 수 있습니다: 스핀과 전자의 궤도 운동과 관련된 것입니다. 이 효과는 또한 고전물리학과 양자물리학각운동량 개념 사이의 밀접한 관계를 보여주었습니다.

그 효과는 1908년 O. W. Richardson에 의해 예측되었습니다[1]. 그것은 1915년에 그 효과에 대한 최초의 실험적 관찰을 주장하는 두 편의 논문을[2][3] 발표한 알버트 아인슈타인과 방랑자 요하네스하스의 이름을 따서 지어졌습니다.

묘사

특정 축을 중심으로 한 전자(또는 하전 입자)의 궤도 운동은 자기 모멘트가 μ = e/ m ⋅ j, {\displaystyle {\boldsymbol {\mu}} = e/2m\cdot \mathbf {j},}이고, 여기서 e {\displaystyle e}와 m {\displaystyle m}은 전하와 입자의 질량, (가) 동작의 각운동량입니다(SI 단위 사용). 대조적으로, 전자의 고유 자기 모멘트는 ≈ 2 ⋅ / 2 m ⋅ j{}e/2m\cdot \mathbf {j}로서 고유 각운동량(스핀)과 관련이 있습니다(Landé-factor비정상 자기 쌍극자 모멘트 참조).

물질의 단위 부피에 있는 다수의 전자가 특정 축에 대하여 의 총 궤도 각운동량을 가지면, 그들의 자기 모멘트는 = e/2 ⋅ Jo {\displaystyle \mathbf {M} _{\text{o}}=e/2m\cdot \mathbf {J} _{\text{o}}의 자화를 생성합니다. 스핀 기여도에 대한 관계는 Ms ≈ e / m ⋅ J {\displaystyle \mathbf {M} _{\text{s}}\ approx e/m\cdot \mathbf {J} _{\text{s}}입니다. 자화의 변화,δ M, {M},}는 관련된 δ J∝ δ M,displaystyle \mathbf{J} \propto {}\Delta \mathbf {M},}에 비례하는 변화를 의미합니다. 이 과정에서 차체에 가해지는 자화축을 따라 외부 토크가 없다면, 각운동량 보존 법칙으로 인해 나머지 차체(실질적으로 모든 질량)는 각운동량 -δ δ J {\displaystyle - {J}를 획득해야 합니다.

실험설정

실험설정

실험은 실린더 코일 내부에 얇은 끈의 도움으로 매달린 강자성 물질의 실린더를 포함하며, 이는 실린더를 축을 따라 자화시키는 축방향 자기장을 제공하는 데 사용됩니다. 코일의 전류 변화는 코일이 만드는 자기장을 변화시키고, 이 자기장은 강자성 실린더의 자화량과 각운동량을 변화시킵니다. 각운동량의 변화는 광학 장치를 사용하여 모니터링되는 실린더의 회전 속도의 변화를 유발합니다. 자기 쌍극자 와 상호 작용하는 외부 Bboldsymbol {\mu}}는 필드 방향을 따라 토크를 생성할 수 없습니다( tau = μ × B {\{\boldsymbol {\mu}} = {\boldsymbol {\mu}\times \mathbf {B}). 이 실험에서 자화는 자화 코일에 의해 생성된 필드 방향을 따라 발생하므로 다른 외부 필드가 없을 경우 이 축을 따른 각운동량을 보존해야 합니다.

이러한 레이아웃의 단순성에도 불구하고 실험은 쉽지 않습니다. 실린더 주위의 픽업 코일을 사용하여 자화량을 정확하게 측정할 수 있지만 이와 관련된 각운동량의 변화는 작습니다. 또한 지구장과 같은 주변 자기장은 자화된 실린더에 107[4]~10배8 더 큰 기계적 충격을 제공할 수 있습니다. 이후의 정확한 실험은 주변 필드의 능동적 보상과 함께 특별히 구성된 반자기화 환경에서 수행되었습니다. 측정 방법은 일반적으로 비틀림 진자의 특성을 사용하여 진자의 공진에 가까운 주파수에서 자화 코일에 주기적인 전류를 제공합니다.[2][4] 실험은 비율을 직접 측정합니다: λ = δJ / δ M {\ \lambda =\Delta \mathbf {J} /\Delta \mathbf {M} }. 그리고 정의에서 물질의 무차원 자이자기 인자 g' {\displaystyle g' {\displaystyle g'}를 도출합니다: g' ≡ 2 me 1 λ {\displaystyle g'\equiv {\frac {2m}{e}} {\frac}}}. 수량γ ≡ λ ≡ e ' {\ {1e}{2m}}g'}를 자이로자기비라고 합니다.

역사

예상되는 효과와 가능한 실험적 접근법은 1908년 발표된 논문에서[1] Owen Willans Richardson에 의해 처음 기술되었습니다. 1925년에 전자 스핀이 발견되었기 때문에 그 전에는 전자의 궤도 운동만을 고려했습니다. 리처드슨은 M = / ⋅ J {\displaystyle \mathbf {M} = e/2m\cdot \mathbf {J}의 예상 관계를 도출했습니다. 이 논문은 프린스턴에서 진행 중인 효과를 관찰하려는 시도를 언급했습니다.

그런 역사적 맥락에서 원자 내 전자의 궤도 운동에 대한 생각은 고전 물리학과 모순됩니다. 이 모순은 1913년 보어 모델에서 해결되었고, 이후 양자역학의 발전으로 제거되었습니다.

리차드슨의 논문에 동기를 부여받은 S.J. 바넷은 반대 효과도 일어나야 한다는 것을 깨달았습니다. 회전의 변화는 자화를 야기해야 합니다. 그는 1909년에 그 아이디어를 발표했고[5], 그 후 그는 효과에 대한 실험적인 연구를 계속했습니다.

아인슈타인과 드 하스는 1915년 4월에 예상 효과와 실험 결과에 대한 설명을 담은 두 가지[2][3] 논문을 발표했습니다. 그들은 논문 "암페어 분자 전류의 존재에 대한 실험적 증명"[3]에서 실험 장치와 수행된 측정에 대해 자세히 설명했습니다. 자기 모멘트에 대한 샘플의 각운동량의 비율에 대한 그들의 결과는 (저자들은λ {\displaystyle\lambda}라고 불렀습니다) 2m{\2m/e}의 예상 에 매우 가까웠습니다. 인용된 불확실성이 10%인 의 결과가 m{\ m에 가까운 정확한 값과 일치하지 않는다는 것을 나중에 깨달았습니다 분명히 저자들은 실험 불확실성을 과소평가했습니다.

S.J. 바넷은 1914년에 여러 과학 학회에서 그의 측정 결과를 보고했습니다. 1915년 10월, 그는 "회전에 의한 자기화"라는 논문을 통해[6] 바넷 효과에 대한 최초의 관측 결과를 발표했습니다. λ{\displaystyle \lambda}에 대한 그의 결과는 당시에는 예상하지 못했던 올바른 m/e {\displaystyle me} 값에 가까웠습니다.

1918년 J.Q. 스튜어트는 바넷의 결과를 확인하는 측정 결과를 발표했습니다[7]. 그의 논문에서 그는 이 현상을 '리처드슨 효과'라고 불렀습니다.

다음 실험은 철에 대한 자이로자율이 e 아닌 e에 가깝다는 것을 보여주었습니다 "자기 이상 현상"이라고 불리는 이 현상은 1928년 스핀의 발견과 디랙 방정식의 도입 이후 마침내 설명되었습니다.

효과와 그 발견에 관한 문헌

역사적 맥락과 효과에 대한 자세한 설명은 문헌에서[8][9] 찾을 수 있습니다 아인슈타인의 논문에 대한 논평, 칼라프리스는 아인슈타인 연감에서 다음과 같이 쓰고 있습니다.[10]

52."암페어의 분자 전류에 대한 실험적 증명" (실험자 나흐바이스 데 앙페르헨 몰레큘라 스트룀과 함께) (Wander J. de Hass와 함께). 도이체 피지칼리스셰 게셀샤프트, 베르한들룽겐 17 (1915): 152–170.

저자들은 자기가 전하의 미세한 원형운동에 의해 일어난다는 앙페르의 가설을 고려해 회전하는 입자가 전자라는 로렌츠의 이론을 실험하기 위한 설계를 제안했습니다. 실험의 목적은 철 실린더의 자화 반전에 의해 발생하는 토크를 측정하는 것이었습니다.

Calaprice는 다음과 같이 씁니다.

53."앙페르 분자 전류의 존재에 대한 실험적 증명" (Wander J. de Haas와 함께) (영어). 코닌클리케 아카데미 베텐샤펜테 암스테르담, 소송절차 18 (1915-16).

아인슈타인은 방랑자 J. 드 하스와 함께 앙페르의 분자 전류에 대한 실험 작업에 대한 세 편의 논문을 썼는데, 이 논문은 아인슈타인-드 하스 효과로 알려져 있습니다. 그는 네덜란드의 물리학자 H. A. 로렌츠가 오류를 지적하자 곧바로 52호(위)에 수정본을 썼습니다. 위의 두 논문 외에도 [52와 53] 아인슈타인과 드 하스는 같은 해 후반 53번 논문에 "댓글"을 썼습니다. 이 주제는 아인슈타인의 물리학에 대한 관심과 간접적인 관련이 있을 뿐이었지만, 그가 친구인 미셸 베소에게 "내 노년에 나는 실험에 대한 열정을 키우고 있다"고 썼듯이 말입니다.

아인슈타인과 드 하스의[3] 두 번째 논문은 드 하스의 장인 헨드릭 로렌츠에 의해 "네덜란드 왕립 예술 과학 아카데미의 절차"에 전달되었습니다. Frankel[8] Einstein은 독일 물리학회 보고서에서 "지난 3개월 동안 저는 암페어 분자 전류의 존재를 확고히 확립한 제국 물리 기술 연구소에서 de Haas–Lorentz와 공동으로 실험을 수행했습니다."라고 썼습니다. 아마도 그는 하이픈으로 표현된 이름을 드 하스와 H. A. 로렌츠 둘 다를 의미하는 것이 아니라 드 하스 때문이라고 생각했을 것입니다.

이후 측정 및 응용

그 효과는 다양한 강자성체와 합금의 특성을 측정하는 데 사용되었습니다.[4] 보다 정확한 측정의 핵심은 더 나은 자기 차폐였고, 방법은 본질적으로 첫 번째 실험과 유사했습니다. The experiments measure the value of the g-factor (here we use the projections of the pseudovectors and onto the magnetization axis and omit the 사인) 자화량각운동량스핀과 궤도 각운동량의 기여로 구성됩니다. = + M = M_ M_{\text{o}}} J = J + J {\displaystyl J = J_{\text{s}}+

알려진 관계를 사용하여 = e Jo {\displaystyle M_{\text{o}} = {\frac {e}{ e2m J {\displaystyle M_{\text{s}} g\cdot {e}{2m}}, where is the g-factor for the anomalous magnetic moment of the electron, one can derive the relative spin contribution to magnetization as: .

순철의 경우 측정값은 = 1 ± 0002 ' = 1.919\pm {} 0.002}이고, MS M ≈ 0.96 {\displaystyle {\frac {M_{\text{s}}}{M}\약 {} 0.96}입니다. 따라서 순철의 경우 자화의 96%가 전자의 스핀 분극에 의해 제공됩니다. 나머지 4%는 궤도 각운동량의 편광에 의해 제공됩니다.

참고 항목

참고문헌

  1. ^ a b Richardson, O. W. (1908). "A Mechanical Effect Accompanying Magnetization". Physical Review. Series I. 26 (3): 248–253. Bibcode:1908PhRvI..26..248R. doi:10.1103/PhysRevSeriesI.26.248.
  2. ^ a b c Einstein, A.; de Haas, W. J. (1915). "Experimenteller Nachweis der Ampereschen Molekularströme" [Experimental Proof of Ampère's Molecular Currents]. Deutsche Physikalische Gesellschaft, Verhandlungen (in German). 17: 152–170.
  3. ^ a b c d Einstein, A.; de Haas, W. J. (1915). "Experimental proof of the existence of Ampère's molecular currents" (PDF). Koninklijke Akademie van Wetenschappen te Amsterdam, Proceedings. 18: 696–711. Bibcode:1915KNAB...18..696E.
  4. ^ a b c Scott, G. G. (1962). "Review of Gyromagnetic Ratio Experiments". Reviews of Modern Physics. 34 (1): 102–109. Bibcode:1962RvMP...34..102S. doi:10.1103/RevModPhys.34.102.
  5. ^ Barnett, S. J. (1908). "On Magnetization by Angular Acceleration". Science. 30 (769): 413. Bibcode:1909Sci....30..413B. doi:10.1126/science.30.769.413. PMID 17800024.
  6. ^ Barnett, S. J. (1915). "Magnetization by Rotation". Physical Review. 6 (4): 239–270. Bibcode:1915PhRv....6..239B. doi:10.1103/PhysRev.6.239.
  7. ^ Stewart, J. Q. (1918). "The Moment of Momentum Accompanying Magnetic Moment in Iron and Nickel". Physical Review. 11 (2): 100–270. Bibcode:1918PhRv...11..100S. doi:10.1103/PhysRev.11.100.
  8. ^ a b Frenkel, Viktor Ya. (1979). "On the history of the Einstein–de Haas effect". Soviet Physics Uspekhi. 22 (7): 580–587. doi:10.1070/PU1979v022n07ABEH005587.
  9. ^ David R Topper (2007). Quirky sides of scientists: true tales of ingenuity and error from physics and astronomy. Springer. p. 11. ISBN 978-0-387-71018-1.
  10. ^ Alice Calaprice, The Einstein Almanac (Johns Hopkins University Press, 볼티모어, 2005), p. 45. ISBN 0-8018-8021-1
  11. ^ Reck, R. A.; Fry, D. L. (1969). "Orbital and Spin Magnetization in Fe-Co, Fe-Ni, and Ni-Co". Physical Review. 184 (2): 492–495. Bibcode:1969PhRv..184..492R. doi:10.1103/PhysRev.184.492.

외부 링크

  • "아인슈타인의 유일한 실험"[1] (독일 물리칼리스쉬-테크니쉬 분데스탈트(PTB) 홈페이지 디렉토리 링크[2]). 여기 아인슈타인 드 하스 실험이 수행된 원래의 장치의 복제품이 있습니다.