Effet Einstein–de Haas - Einstein–de Haas effect

L'effet Einstein-de Haas est un phénomène physique dans lequel un changement du moment magnétique d'un corps libre provoque la rotation de ce corps. L'effet est une conséquence de la conservation du moment cinétique . Il est assez fort pour être observable dans les matériaux ferromagnétiques . L'observation expérimentale et la mesure précise de l'effet ont démontré que le phénomène d' aimantation est causé par l'alignement ( polarisation ) des moments angulaires des électrons dans le matériau le long de l'axe d'aimantation. Ces mesures permettent également de séparer les deux contributions à l'aimantation : celle qui est associée au spin et au mouvement orbital des électrons. L'effet a également démontré la relation étroite entre les notions de moment cinétique en physique classique et en physique quantique .

L'effet a été prédit par OW Richardson en 1908. Il porte le nom d' Albert Einstein et de Wander Johannes de Haas , qui ont publié deux articles en 1915 revendiquant la première observation expérimentale de l'effet.

La description

Le mouvement orbital de l'électron (ou toute particule chargée) autour d' un certain axe produit un dipôle magnétique avec le moment magnétique d' où et sont la charge et la masse de la particule, tandis que est le moment angulaire du mouvement. En revanche, le moment magnétique intrinsèque de l'électron est lié à son moment angulaire intrinsèque ( spin ) comme (voir facteur g de Landé et moment dipolaire magnétique anormal ).

Si un certain nombre d'électrons dans une unité de volume du matériau ont un moment angulaire orbital total de par rapport à un certain axe, leurs moments magnétiques produiraient l' aimantation de . Pour la contribution de spin, la relation serait . Un changement d' aimantation , implique un changement proportionnel de la vitesse angulaire , des électrons impliqués. A condition qu'il n'y ait pas de couple externe le long de l' axe d' aimantation appliqué au corps dans le processus, le reste du corps (pratiquement toute sa masse) devrait acquérir un moment cinétique dû à la loi de conservation du moment cinétique .

Montage expérimental

Montage expérimental

Les expériences impliquent un cylindre d'un matériau ferromagnétique suspendu à l'aide d'une fine corde à l'intérieur d'une bobine cylindrique qui est utilisée pour fournir un champ magnétique axial qui magnétise le cylindre le long de son axe. Une modification du courant électrique dans la bobine modifie le champ magnétique produit par la bobine, ce qui modifie l'aimantation du cylindre ferromagnétique et, en raison de l'effet décrit, son moment cinétique . Une modification du moment angulaire entraîne une modification de la vitesse de rotation du cylindre, surveillée à l'aide de dispositifs optiques. Le champ externe interagissant avec un dipôle magnétique ne peut produire aucun couple ( ) le long de la direction du champ. Dans ces expériences, l'aimantation se produit le long de la direction du champ produit par la bobine magnétisante, par conséquent, en l'absence d'autres champs externes, le moment angulaire le long de cet axe doit être conservé.

Malgré la simplicité d'un tel agencement, les expériences ne sont pas faciles. L'aimantation peut être mesurée avec précision à l'aide d'une bobine de détection autour du cylindre, mais le changement associé du moment angulaire est faible. De plus, les champs magnétiques ambiants, tels que le champ terrestre, peuvent produire un impact mécanique 10 7 à 10 8 fois plus important sur le cylindre magnétisé. Les dernières expériences précises ont été réalisées dans un environnement démagnétisé spécialement construit avec une compensation active des champs ambiants. Les méthodes de mesure utilisent généralement les propriétés du pendule de torsion , fournissant un courant périodique à la bobine de magnétisation à des fréquences proches de la résonance du pendule. Les expériences mesurent directement le rapport : et dérivent le facteur gyromagnétique sans dimension du matériau de la définition : . La quantité est appelée rapport gyromagnétique .

Histoire

L'effet attendu et une approche expérimentale possible ont été décrits pour la première fois par Owen Willans Richardson dans un article publié en 1908. Le spin des électrons a été découvert en 1925, par conséquent, seul le mouvement orbital des électrons était considéré auparavant. Richardson a dérivé la relation attendue de . Le document mentionnait les tentatives en cours pour observer l'effet à Princeton.

Dans ce contexte historique, l'idée du mouvement orbital des électrons dans les atomes contredisait la physique classique. Cette contradiction a été abordée dans le modèle de Bohr en 1913, et plus tard a été supprimée avec le développement de la mécanique quantique .

SJ Barnett , motivé par l'article de Richardson, s'est rendu compte que l'effet inverse devrait également se produire - un changement de rotation devrait provoquer une magnétisation (l' effet Barnett ). Il a publié l'idée en 1909, après quoi il a poursuivi les études expérimentales de l'effet.

Einstein et de Haas ont publié deux articles en avril 1915 contenant une description de l'effet attendu et des résultats expérimentaux. Dans l'article "Preuve expérimentale de l'existence des courants moléculaires d'Ampère", ils ont décrit en détail l'appareil expérimental et les mesures effectuées. Leur résultat pour le rapport du moment cinétique de l'échantillon à son moment magnétique (les auteurs l'appelaient ) était très proche (à moins de 3 %) de la valeur attendue de . On s'est rendu compte plus tard que leur résultat avec l'incertitude citée de 10 % n'était pas cohérent avec la valeur correcte qui est proche de . Apparemment, les auteurs ont sous-estimé les incertitudes expérimentales.

SJ Barnett a rapporté les résultats de ses mesures lors de plusieurs conférences scientifiques en 1914. En octobre 1915, il a publié la première observation de l' effet Barnett dans un article intitulé "Magnetization by Rotation". Son résultat pour était proche de la bonne valeur de , ce qui était inattendu à l'époque.

En 1918, JQ Stewart publia les résultats de ses mesures confirmant le résultat de Barnett. Dans son article, il appelait le phénomène « l'effet Richardson ».

Les expériences suivantes ont démontré que le rapport gyromagnétique pour le fer est en effet proche de plutôt que . Ce phénomène, surnommé « anomalie gyromagnétique » a finalement été expliqué après la découverte du spin et l'introduction de l' équation de Dirac en 1928.

Littérature sur l'effet et sa découverte

Des comptes rendus détaillés du contexte historique et des explications de l'effet peuvent être trouvés dans la littérature Commentant les articles d'Einstein, Calaprice dans The Einstein Almanac écrit :

52. « Preuve expérimentale des courants moléculaires d'Ampère » (Experimenteller Nachweis der Ampereschen Molekularströme) (avec Wander J. de Hass). Deutsche Physikalische Gesellschaft, Verhandlungen 17 (1915) : 152-170.

Considérant l' hypothèse d'Ampère selon laquelle le magnétisme est causé par les mouvements circulaires microscopiques des charges électriques, les auteurs ont proposé une conception pour tester la théorie de Lorentz selon laquelle les particules en rotation sont des électrons. Le but de l'expérience était de mesurer le couple généré par une inversion de l'aimantation d'un cylindre en fer.

Calaprice écrit en outre :

53. "Experimental Proof of the Existence of Ampère's Molecular Currents" (avec Wander J. de Haas) (en anglais). Koninklijke Akademie van Wetenschappen te Amsterdam, Actes 18 (1915-16).

Einstein a écrit trois articles avec Wander J. de Haas sur les travaux expérimentaux qu'ils ont réalisés ensemble sur les courants moléculaires d'Ampère , connus sous le nom d'effet Einstein-De Haas. Il a immédiatement écrit une correction à l'article 52 (ci-dessus) lorsque le physicien néerlandais HA Lorentz a signalé une erreur. En plus des deux articles ci-dessus [à savoir 52 et 53] Einstein et de Haas ont coécrit un "Commentaire" sur l'article 53 plus tard dans l'année pour le même journal. Ce sujet n'était qu'indirectement lié à l'intérêt d'Einstein pour la physique, mais, comme il l'a écrit à son ami Michele Besso , « Dans ma vieillesse, je développe une passion pour l'expérimentation.

Le deuxième article d'Einstein et de Haas a été communiqué aux « Actes de l'Académie royale néerlandaise des arts et des sciences » par Hendrik Lorentz qui était le beau-père de de Haas. Selon Frenkel, Einstein a écrit dans un rapport à la Société allemande de physique : « Au cours des trois derniers mois, j'ai effectué des expériences conjointement avec de Haas-Lorentz à l'Institut impérial de physicotechnique qui ont fermement établi l'existence des courants moléculaires d'Ampère. Probablement, il a attribué le nom coupé à de Haas, ne signifiant pas à la fois de Haas et HA Lorentz .

Mesures et applications ultérieures

L'effet a été utilisé pour mesurer les propriétés de divers éléments et alliages ferromagnétiques . La clé de mesures plus précises était un meilleur blindage magnétique, tandis que les méthodes étaient essentiellement similaires à celles des premières expériences. Les expériences mesurent la valeur du facteur g (nous utilisons ici les projections des pseudovecteurs et sur l' axe d' aimantation et omettons le signe). L' aimantation et le moment cinétique sont constitués des contributions du spin et du moment cinétique orbital : , .

En utilisant les relations connues , et , où est le facteur g pour le moment magnétique anormal de l'électron, on peut dériver la contribution de spin relative à l' aimantation comme : .

Pour le fer pur, la valeur mesurée est , et . Par conséquent, dans le fer pur, 96% de l' aimantation est fournie par la polarisation des spins des électrons , tandis que les 4% restants sont fournis par la polarisation de leurs moments angulaires orbitales .

Voir également

Les références

Liens externes

  • "La seule expérience d'Einstein" [1] (liens vers un répertoire de la page d'accueil de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Allemagne [2] ). Voici une réplique à voir de l'appareil original sur lequel l'expérience Einstein-de Haas a été réalisée.