Конкурс как итоги и повод для размышлений.
Прокомментировать результаты конкурса научных работ ЛНФ, объявленные недавно на лабораторном НТС, мы попросили эксперта по разделу «Физика конденсированных сред» сотрудника отдела ФКС ЛНФ Л.П. Черненко и участника конкурса, руководителя группы того же отдела Д.А. Корнеева, работы которого в соавторстве с коллегами получили первое и второе места на конкурсе.
«Я жду конкурсов»
Л.П. Черненко: По прошествии времени после конкурса, размышляя по поводу интервью для нашей институтской газеты, я хотел бы добавить личное, малое, но для меня очень важное. Я как эксперт чувствую себя на самом важном участке научной жизни. Конкурс дает мне возможность совершенствоваться. Конкурс
– явление скоротечное, неделя или две, в течение которых надо выработать оценку представленных работ. Такую работу ученый делает, знакомясь с публикациями, следя за литературой. На нашем конкурсе мне представилась возможность выразить себя в окружении своих коллег, стать как бы соавтором представленных исследований. Когда удается сформулировать краткий вопрос, выразить устное суждение, попытаться убедить жюри, то это вдохновляет и утверждает в преданности своей специальности. Что-то подобное происходит и на семинарах. Но конкурс – это не семинар, и его как атрибут научной жизни ничто не может заменить. Я жду конкурсов.«Год, урожайный на эффекты».
Д.А. Корнеев: Да, действительно, для группы нейтронной оптики девяносто шестой год выдался «урожайным». Практически одновременно вышли две работы: по геометрическим эффектам в нейтронной оптике («Успехи физических наук») и по наблюдению когерентного зеемановского расщепления пучка в процессе зеркального отражения нейтронов от намагниченной поверхности в присутствии наклонного магнитного поля («Письма в ЖЭТФ»). Жюри конкурса ЛНФ не поскупилось на высокие оценки этих работ.
История явления, обсуждаемого в первой работе, восходит к классическим экспериментам с маятником Фуко и опытам Саньяка с вращающимся интерферометром. В 1984 году Берри в ставшей теперь знаменитой работе, в рамках квантовой механики, в полной мере осознал то обстоятельство, что в квантовых системах в пределе адиабатического изменения параметров гамильтониана в конце циклической эволюции у фазы волновой функции появляется нетривиальный дополнительный член. Он связан простым соотношением с телесным углом, очерчиваемым векторным параметром гамильтониана системы. Таким образом была поставлена под сомнение применимость в общем случае адиабатической гипотезы Эренфеста к квантовым объектам.
Прошедшие после опубликования работы Берри двенадцать лет были отмечены многочисленными теоретическими работами, а также нашли объяснение и эксперименты по оптике световодов. Ааронов и Анандан доказали, что геометрическая фаза возникает и в случае неадиабатической эволюции. Более того, геометрическая фаза обобщается и на случай нециклических траекторий.
Итак, характерной чертой адиабатической эволюции является то, что геометрическая фаза не зависит от времени цикла, а определяется исключительно геометрией области параметрического пространства, ограниченного замкнутым контуром в этом пространстве. В этом случае геометрическая фаза пропорциональна телесному углу, очерчиваемому вектор-параметром системы. Для спиновой волновой функции нейтрона роль вектор-параметра играет вектор магнитного поля. Именно поэтому эффекты геометрической фазы наиболее наглядно проявляются при пропускании поляризованных нейтронов через пространственно-вращающиеся (геликоидальные) магнитные поля. При этом, согласно Берри, полный угол поворота вектора поляризации пучка вокруг поля будет равен сумме двух углов: угла ларморовской прецессии (динамическая фаза) и телесного угла, очерчиваемого магнитным полем на сфере Пуанкаре (геометрическая фаза).
Уникальная возможность сочетания времени пролета, развитого на реакторе ИБР-2, с методом спиновой прецессии позволили нам экспериментально подтвердить возникновение дополнительного к ларморовскому угла поворота вектора поляризации пучка в пространственно прецессирующем магнитном поле. Особенности импульсного реактора позволили исследовать геометрическую фазу не только в адиабатическом режиме, но и одновременно получить данные о ее зависимости в неадиабатической области, предсказанной Аароновым и Ананданом.
Таким образом, удалось еще раз подтвердить, что адиабатическая фаза Берри и неадиабатическая фаза Ааронова - Анандана не просто абстрактные теоретические понятия, а экспериментально наблюдаемые явления. Вместе с тем, нейтронные эксперименты ставят и новые вопросы, связанные с реальной возможностью измерения геометрических фаз для случая магнитных полей с нетривиальной траекторией вектора магнитного поля на сфере Пуанкаре (траектории с самопересечением, скрученные траектории, проколотая сфера Пуанкаре).
Вторая работа касается необычных свойств процесса зеркального отражения нейтронов от поверхности ферромагнетика в присутствии внешнего магнитного поля. Для нейтрона, в силу его волновых свойств, справедливы законы оптики, в частности,
– закон равенства угла отражения углу падения. Однако наши эксперименты показали, что в определенных случаях этот закон не выполняется. Суть явления заключается в том, что, если процесс отражения сопровождается переворотом спина нейтрона, то нейтроны с перевернутым спином образуют два дополнительных незеркальных луча. В зависимости от типа переворота угол отражения будет либо больше, либо меньше угла падения. В то же время, нейтроны, не изменяющие направления спина относительно внешнего магнитного поля, отражаются зеркально. При этом зеркальный и незеркальный пучки когерентны. Отклонения незеркальных лучей от зеркального тем значительней, чем больше величина магнитного поля и длина волны нейтрона. В наших экспериментах на тепловых нейтронах подтвердились предсказания В.К. Игнатовича, высказанные им в 1978 году в работе (опубликованной в ЖЭТФ) по поводу отражения холодных нейтронов от границы сред с неколлинеарными намагниченностями. Эффект зеемановского расщепления отраженного пучка позволяет существенно расширить возможности метода нейтронной рефлектометрии для изучения тонких магнитных пленок с геликоидальной структурой намагниченности.