Efecto Einstein-de Haas - Einstein–de Haas effect
El efecto Einstein-de Haas es un fenómeno físico en el que un cambio en el momento magnético de un cuerpo libre hace que este cuerpo gire. El efecto es una consecuencia de la conservación del momento angular . Es lo suficientemente fuerte como para ser observable en materiales ferromagnéticos . La observación experimental y la medición precisa del efecto demostraron que el fenómeno de magnetización es causado por la alineación ( polarización ) de los momentos angulares de los electrones en el material a lo largo del eje de magnetización. Estas medidas también permiten separar las dos contribuciones a la magnetización: la asociada al espín y al movimiento orbital de los electrones. El efecto también demostró la estrecha relación entre las nociones de momento angular en clásica y en la física cuántica .
El efecto fue predicho por OW Richardson en 1908. Lleva el nombre de Albert Einstein y Wander Johannes de Haas , quienes publicaron dos artículos en 1915 afirmando la primera observación experimental del efecto.
Descripción
El movimiento orbital de un electrón (o cualquier partícula cargada) alrededor de un cierto eje produce un dipolo magnético con el momento magnético de donde y son la carga y la masa de la partícula, mientras que es el momento angular del movimiento. En contraste, el momento magnético intrínseco del electrón está relacionado con su momento angular intrínseco ( espín ) como (ver factor g de Landé y momento dipolar magnético anómalo ).
Si varios electrones en una unidad de volumen del material tienen un momento angular orbital total de con respecto a un cierto eje, sus momentos magnéticos producirían la magnetización de . Para la contribución de espín, la relación sería . Un cambio en la magnetización , implica un cambio proporcional en el momento angular , de los electrones involucrados. Siempre que no exista un par externo a lo largo del eje de magnetización aplicado al cuerpo en el proceso, el resto del cuerpo (prácticamente toda su masa) debería adquirir un momento angular debido a la ley de conservación del momento angular .
Configuración experimental
Los experimentos involucran un cilindro de un material ferromagnético suspendido con la ayuda de una cuerda delgada dentro de una bobina cilíndrica que se utiliza para proporcionar un campo magnético axial que magnetiza el cilindro a lo largo de su eje. Un cambio en la corriente eléctrica en la bobina modifica el campo magnético que produce la bobina, lo que cambia la magnetización del cilindro ferromagnético y, debido al efecto descrito, su momento angular . Un cambio en el momento angular provoca un cambio en la velocidad de rotación del cilindro, monitoreado mediante dispositivos ópticos. El campo externo que interactúa con un dipolo magnético no puede producir ningún par ( ) a lo largo de la dirección del campo. En estos experimentos la magnetización ocurre a lo largo de la dirección del campo producido por la bobina magnetizadora, por lo tanto, en ausencia de otros campos externos, se debe conservar el momento angular a lo largo de este eje.
A pesar de la simplicidad de este diseño, los experimentos no son fáciles. La magnetización se puede medir con precisión con la ayuda de una bobina captadora alrededor del cilindro, pero el cambio asociado en el momento angular es pequeño. Además, los campos magnéticos ambientales, como el campo de la Tierra, pueden proporcionar un impacto mecánico de 10 7 a 10 8 veces mayor en el cilindro magnetizado. Los últimos experimentos precisos se realizaron en un entorno desmagnetizado especialmente construido con compensación activa de los campos ambientales. Los métodos de medición suelen utilizar las propiedades del péndulo de torsión , proporcionando corriente periódica a la bobina de magnetización a frecuencias cercanas a la resonancia del péndulo. Los experimentos miden directamente la relación: y derivan el factor giromagnética adimensional del material de la definición: . La cantidad se llama relación giromagnética .
Historia
El efecto esperado y un posible enfoque experimental fueron descritos por primera vez por Owen Willans Richardson en un artículo publicado en 1908. El espín del electrón se descubrió en 1925, por lo tanto, antes de eso, solo se consideró el movimiento orbital de los electrones. Richardson derivó la relación esperada de . El documento mencionó los intentos en curso de observar el efecto en Princeton.
En ese contexto histórico, la idea del movimiento orbital de los electrones en los átomos contradecía la física clásica. Esta contradicción se abordó en el modelo de Bohr en 1913 y luego se eliminó con el desarrollo de la mecánica cuántica .
SJ Barnett , motivado por el artículo de Richardson, se dio cuenta de que también debería ocurrir el efecto contrario: un cambio en la rotación debería causar una magnetización (el efecto Barnett ). Publicó la idea en 1909, después de lo cual continuó con los estudios experimentales del efecto.
Einstein y de Haas publicaron dos artículos en abril de 1915 que contenían una descripción del efecto esperado y los resultados experimentales. En el artículo "Prueba experimental de la existencia de corrientes moleculares de Ampere" describieron en detalle el aparato experimental y las medidas realizadas. Su resultado para la relación entre el momento angular de la muestra y su momento magnético (lo llamaron los autores ) fue muy cercano (dentro del 3%) al valor esperado de . Más tarde se supo que su resultado con la incertidumbre cotizada del 10% no era consistente con el valor correcto que se acerca a . Al parecer, los autores subestimaron las incertidumbres experimentales.
SJ Barnett informó los resultados de sus mediciones en varias conferencias científicas en 1914. En octubre de 1915 publicó la primera observación del efecto Barnett en un artículo titulado "Magnetización por rotación". Su resultado para estuvo cerca del valor correcto de , lo cual fue inesperado en ese momento.
En 1918, JQ Stewart publicó los resultados de sus mediciones confirmando el resultado de Barnett. En su artículo, llamaba al fenómeno "El efecto Richardson".
Los siguientes experimentos demostraron que la relación giromagnética para el hierro es de hecho cerca de en lugar de . Este fenómeno, denominado "anomalía giromagnética", finalmente se explicó después del descubrimiento del espín y la introducción de la ecuación de Dirac en 1928.
Literatura sobre el efecto y su descubrimiento.
Se pueden encontrar descripciones detalladas del contexto histórico y las explicaciones del efecto en la literatura.Comentando los artículos de Einstein, Calaprice en The Einstein Almanac escribe:
52. "Prueba experimental de las corrientes moleculares de Ampère" (Experimenteller Nachweis der Ampereschen Molekularströme) (con Wander J. de Hass). Deutsche Physikalische Gesellschaft, Verhandlungen 17 (1915): 152-170.
Teniendo en cuenta la hipótesis de Ampère de que el magnetismo es causado por los movimientos circulares microscópicos de las cargas eléctricas, los autores propusieron un diseño para probar la teoría de Lorentz de que las partículas giratorias son electrones. El objetivo del experimento fue medir el par generado por una inversión de la magnetización de un cilindro de hierro.
Calaprice escribe además:
53. "Prueba experimental de la existencia de corrientes moleculares de Ampère" (con Wander J. de Haas) (en inglés). Koninklijke Akademie van Wetenschappen te Amsterdam, Actas 18 (1915-16).
Einstein escribió tres artículos con Wander J. de Haas sobre el trabajo experimental que hicieron juntos sobre las corrientes moleculares de Ampère , conocido como el efecto Einstein-De Haas. Inmediatamente escribió una corrección al artículo 52 (arriba) cuando el físico holandés HA Lorentz señaló un error. Además de los dos artículos anteriores [es decir, 52 y 53], Einstein y de Haas escribieron conjuntamente un "Comentario" en el artículo 53 más adelante en el año para la misma revista. Este tema estaba relacionado sólo indirectamente con el interés de Einstein por la física, pero, como le escribió a su amigo Michele Besso , "En mi vejez estoy desarrollando una pasión por la experimentación".
El segundo artículo de Einstein y de Haas fue comunicado a las "Actas de la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos" por Hendrik Lorentz , suegro de De Haas. Según Frenkel, Einstein escribió en un informe a la Sociedad Alemana de Física: "En los últimos tres meses he realizado experimentos junto con de Haas-Lorentz en el Instituto Físico Imperial que han establecido firmemente la existencia de corrientes moleculares de Ampère". Probablemente, atribuyó el nombre con guión a de Haas, no significando tanto de Haas como HA Lorentz .
Medidas y aplicaciones posteriores
El efecto se utilizó para medir las propiedades de varios elementos ferromagnéticos y aleaciones. La clave para obtener mediciones más precisas fue un mejor blindaje magnético, mientras que los métodos fueron esencialmente similares a los de los primeros experimentos. Los experimentos miden el valor del factor g (aquí usamos las proyecciones de los pseudovectores y sobre el eje de magnetización y omitimos el signo). La magnetización y el momento angular consisten en las contribuciones del espín y el momento angular orbital : , .
Usando las relaciones conocidas , y , donde es el factor g para el momento magnético anómalo del electrón, se puede derivar la relación de giro contribución a la magnetización como: .
Para el hierro puro, el valor medido es y . Por lo tanto, en el hierro puro, el 96% de la magnetización es proporcionada por la polarización de los espines de los electrones , mientras que el 4% restante es proporcionado por la polarización de sus momentos angulares orbitales .
