Всем хорошо известны традиционные методы исследования вещества: ядерный магнитный и электронный парамагнитный резонанс (ЯМР и ЭПР), нейтронография и мёссбауэровская спектроскопия. Но что представляет собой мюонный метод исследования вещества, получившего в зарубежной научной литературе название µSR (Muon Spin Rotation or Spin Resonanse, Spin Relaxation), известно гораздо меньшему кругу людей, даже среди людей, профессионально занимающихся наукой. А между тем µSR-метод уже перешел в «зрелый возраст» (опубликовано несколько тысяч работ) и дал много новой и ценной информации о свойствах вещества. Причем многие результаты либо вообще нельзя получить другими методами, либо µSR-метод позволяет получить более точные данные. Хотя, конечно же, µSR-метод не заменяет все остальные методы, а является хорошим добавлением для них.

Суть мюонного метода исследования вещества заключается в возможности изучения локальных микрополей в веществе с помощью легкой нестабильной заряженной элементарной частицы – мюона (как положительного µ⁺, так и отрицательного µ^-). Для изучения свойств материи наиболее перспективны положительные мюоны. Поскольку мюоны– нестабильные частицы, их получают на ускорителях, поэтому метод доступен лишь при наличии специальных ускорителей. На сегодняшний момент во всем мире насчитывается всего лишь шесть научно-исследовательских центров, где возможно применение µSR-метода: PSI в Швейцарии, TRIUMF в Канаде, KEK в Японии, ISIS в Великобритании и два научных центра – ОИЯИ (г. Дубна, Московской обл.) и ПИЯФ РАН (г. Гатчина, Ленинградской обл.) – в России.

Возможно, такая незаслуженно малая известность µSR-метода обусловлена его относительной дороговизной и малым количеством исследовательских центров. Пожалуй, основной и единственный минус µSR-метода – это его стоимость (нужны специальные ускорители). Но взамен мы получаем мощный инструмент для изучения самого широкого диапазона свойств вещества, как в газовой фазе, так и в конденсированном состоянии– от измерения скоростей химических реакций до расшифровки магнитной структуры сверхпроводников второго рода (в частности, ВТСП), исследования технологических свойств трансформаторных сталей, фазовых переходов второго рода и т.д.

Мюонный метод исследования вещества (µSR-метод) берет свое начало еще с работы Т. Ли и Ч. Янга, где впервые рассматривался вопрос о несохранении пространственной и зарядовой чётности в слабых взаимодействиях и предлагалось экспериментаторам искать нарушение ранее «незыблемого» закона сохранения природы в β-распаде поляризованных ядер и в распадах мезонов и гиперонов. Опыты, выполненные Ц. Ву, Е. Амблером и др. по изучению β-распада поляризованных ядер ⁶⁰Со и Р. Гарвина, Л. Лидермана и М. Вейнриха по изучению углового распределения электронов в распаде мюона, явились первыми экспериментальными доказательствами справедливости нарушения закона чётности в слабых взаимодействиях.

Но в 1957 году Р.Л. Гарвин, Л.М. Ледерман и Г. Вейнрих и Дж.И. Фридман, В.Л. Телегди, которые открыли несохранение четности в π→μ→e распаде, вряд ли могли предположить, что этот фундаментальный результат в физике элементарных частиц положит начало новому методу изучения свойств вещества − µSR-методу.

Качественное объяснение экспериментов было дано и в представлении о нейтрино, как частицы, спин которой коллинеарен с её импульсом, что является следствием теории двухкомпонентного нейтрино, предложенной Л.Д. Ландау, Т. Ли и Ч. Янгом. В этой теории нейтрино описывается двухкомпонентными волновыми функциями, т.е. является частицей, направление спина которой противоположно (или совпадает для антинейтрино) с направлением её импульса. Экспериментальное обнаружение резкой асимметрии в распределение позитронов µ→е распада и послужило фундаментом для создания нового ядерно-физического метода исследования свойств мюона и мюония (лёгкого аналога атома водорода – связанной системы µ⁺е^– ≡Mu) и способов их взаимодействия в веществе µSR (MuSR)-спектроскопии. µSR-метод по физической сути, возможностям и перспективам, сравним с методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР), а соответственно, MuSR-метод с методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Идея метода проста: в силу несохранения чётности угловое распределение позитронов распада покоящегося мюона асимметрично относительно направления спина. Реакция распада мюона имеет единственный канал:

µ⁺-›e⁺+v_e +v_µ

Среднее время жизни покоящегося мюона примерно 2,2·мкс. В эксперименте анализируется поляризация ансамбля мюонов, образовавшихся при распаде π⁺-мезонов и остановившихся в исследуемом образце (при этом в принципе можно добиться практически стопроцентной начальной поляризации мюонов). В среде поляризация мюонов изменяется со временем. По распределению позитронов можно определить направление поляризации мюона в момент распада. Таким образом, поляризованный мюон в веществе – это своеобразный магнитный зонд, позволяющий исследовать внутренние локальные магнитные поля, а также их распределение. В экспериментах измеряют частоту прецессии спинов мюона F_µ или мюония F_Mu и скорости их деполяризации λ. Эти параметры содержат богатую информацию о широком спектре физико-химических свойств материала. По своей природе эта информация во многом близка к той, что получают с помощью методов ЭПР и ЯМР, однако она зачастую совершенно специфична.

В ПИЯФ РАН мюонный метод начал развиваться после 1976 года, когда был пущен в эксплуатацию мюонный канал на синхроциклотроне и тогда начались экспериментальные исследования. В настоящее время в России существует единственная работающая µSR-установка на мюоном пучке синхроциклотрона ПИЯФ РАН (в Дубне произошла авария− был пожар). µSR в ПИЯФ уже 30 лет! На данной установке и сейчас проводятся интенсивные исследования, в частности, ведутся следующие исследования: магнетизм в материалах с памятью формы; сплавы со случайным конкурирующим взаимодействием; взаимодействие ферроэлектричества и ферромагнетизма; исследование наноструктурных материалов; исследование мультиферроиков и многое другое.

С.И. Воробьев

м.н.с. ОФВЭ ПИЯФ РАН