Эффект Оверхаузера  - увеличение интенсивности ядерного магнитного резонанса и поляризации ядерной магнитной системы при насыщении электронного парамагнитного резонанса. Эффект Оверхаузера наблюдается в условиях, когда в электронной парамагнитной системе существует релаксационный процесс, содержащий в каждом акте связанное однонаправленное изменение ядерных спиновых переменных и определяющий стационарное состояние ядерной магнитной системы. Эффект Оверхаузера предсказан А. Оверхаузером (A. W. Overhauser) в 1953 для взаимодействующих спиновых систем электронов проводимости и ядер в металлах. В том же году эффект Оверхаузера был экспериментально подтверждён Т. Карвером (Th. R. Carver) и Ч. Сликтером (Сп. P. Slichter), впоследствии наблюдался в полупроводниках, жидкостях с парамагнитными примесями и твёрдых телах с высокой концентрацией свободных радикалов или парамагнитных примесей. Для его объяснения существенны два явления: зеемановское расщепление магнитных уровней и релаксация – процесс возвращения возбуждённой системы в состояние термодинамического равновесия.

Магнитные моменты микрочастиц могут иметь только определенные ориентации в магнитном поле, которым соответствуют определенные значения энергии (энергетические уровни). На рис.1 изображена структура этих уровней для электронно-ядерной системы с электронным спином S = 1/2 и ядерным спином   I = 1/2. Зеемановское расщепление для электронного спина равно Δ=µ_eH, для ядерного спина δ = μ_оН, где H – напряжённость внешнего магнитного поля, µ_e и µ_o – магнитные моменты электрона и ядра.
Поскольку µ₀>>µ_o , имеем Δ>>δ.

 

Термодинамически равновесная поляризация электронной и ядерной магнитных систем определяется населённостью электронных уровней S_г = ±1/2 и ядерных уровней I_г = ±1/2. Отношение населенностей соответствует распределению Больцмана:

где N_i - населенность энергетических уровней, соответсвующих Рис.1.

Если приложить к образцу достаточно сильное переменное магнитное поле с частотой ЭПР, то электронные переходы можно насытить, т. е. выровнять населённости уровней, между которыми происходят соответствующие переходы. Магнитное ВЧ-поле переводит электроны в верхнее состояния, а релаксационные процессы стремятся восстановить состояние термодинамического равновесия. Конкуренция этих процессов определит амплитуду ВЧ-поля, необходимую для насыщения ЭПР. Ответственный за это релаксационных процесс (со скоростью релаксации w₁) не приводит к переориентации ядерных спинов.
Существование флуктуирующего сверхтонкого взаимодействия, связанного либо с движением носителей электронного спина, либо с быстрой переориентацией этого спина в обменном поле, приведёт к появлению других релаксационных процессов.
Для эффекта Оверхаузера характерно соотношение ω₂ >> ω₃, ω₄.

Основной процесс, ведущий к изменению населённостей, отвечает переходам между уровнями 4 и 1. При этом происходят однонаправленные перевороты ядерных спинов, приводящие к следующему отношению населённостей:

Таким образом, поляризация ядер в состоянии термодинамического равновесия определяется величиной зеемановского расщепления в ядерной магнитной системе, а в условиях эффекта Оверхаузера – зеемановским расщеплением в электронной системе. При высоких температуpax поляризация возрастает. Неполное насыщение и конечные значения приводят к ослаблению поляризации ядер при эффекте Оверхаузера.

 

Эффект Оверхаузера применяется для измерение магнитных полей. Примером может быть буксируемый магнитометр (градиометр) SeaSpy, который является модульным портативным комплексом для проведения магнитометрических измерений и поиска металлических объектов на дне и в толще воды на глубинах до 300 метров. Принцип работы магнитометра SeaSpy основан на использовании эффекта Оверхаузера и применении счетчика Лармора. 

Эффект был использован для разработки метода динамической поляризации ядер, так как вещество с поляризованными ядрами очень чувствительно как к величине магнитного поля, так и ее изменению.

Эффект применяется в магнитном градиометре - приборе, служащим для измерения разницы между магнитными полями в двух зонах, содержит два ядерных фильтра – по одному в каждой зоне. Каждый из ядерных фильтров является фильтром такого типа, в котором используется эффект Оверхаузера-Абрагама, и выдает выходной сигнал, который усиливается и подводится к одному из входов операционного усилителя. Выходной сигнал усилителя расщепляется и подводится к входной катушке двух фильтров. Фазометр измеряет разность фаз входных сигналов операционного усилителя, который может быть суммирующего или дифференциального типа, что определяется фильтром ядерного фильтра (с перекрещивающимися или параллельными катушками). Разность фаз находится в прямой зависимости от разности между полями.

Рассмотрим примеры гомоядерных систем, представленных на рис.1. Для понимания физических основ ЯЭО рассмотрим сперва двухспиновую систему AX (рис.2), в предположении, что J_АХ=O (т.е А и Х дают синглеты, интенсивности которых определяются разницей в заселенностях в соответствующих энергетических уровней при равновесии. ЯЭО при "насыщении" перехода ядра А приводит к изменению заселенностей и система пытается восстановить равновесие за счет спин-решеточной релаксации, имеющей диполь-дипольный механизм.

Рис.2А показывает переходы спинов, а рис.2Б иллюстрирует все возможные и теоретически разрешенные процессы релаксации вмести с вероятностями переходов W. Интересно, что W₂ может быть больше, чем W₁. Если W₂ и W₀ обусловлены диполь-дипольной релаксацией, то W₁ определяется, в основном, недипольным вкладом.

С физической точки зрения природа эффекта Оверхаузера весьма проста. Поскольку магнитные подсистемы электронов проводимости и ядер взаимодействуют преимущественно между собой, то их суммарный магнитный момент сохраняется. При насыщении парамагнитного резонанса на электронах проводимости магнитный момент электронной системы будет уменьшаться, и поэтому должен увеличиться магнитный момент ядерной системы. Увеличение магнитного момента ядерной системы проявляется как понижение эффективной температуры ядер, что и приводит к увеличению сигнала ядерного магнитного резонанса.

Очень похожим является эффект Феера, который состоит в явлении поляризации ядер постоянным электрическим током в полупроводниках. Природа этого эффекта точно такая же. Энергия закачивается здесь в кинетические степени свободы электронов, а затем, в процессах рассеяния с переворотом спина электронов, передается в термостат.

Можно подметить еще одну особенность эффектов Феера и Оверхаузера. По существу, оба этих эффекта есть пример реализации обычной холодильной машины. Если температура спиновой системы T_s больше температуры кинетических степеней свободы электронов проводимости T_k, то в каждом элементарном акте рассеяния с участием спинов электронов, ядер и кинетических степеней свободы энергия передается из зеемановской системы электронов в кинетические степени свободы, но при этом отбирается некоторая энергия и у зеемановской системы ядер. В случае эффекта Феера знак поляризации ядер будет другой, поскольку энергия передается из подсистемы кинетических степеней свободы в термостат, и при этом из законов сохранения энергии и импульса следует, что в каждом акте рассеяния несколько больше вероятность изменить ориентацию спина у ядер, находящихся с ориентацией спина вдоль поля, а не наоборот. Это, собственно, и приводит к явлению динамической поляризации ядер.

Существует еще несколько эффектов, которые можно прекрасно интерпретировать в рамках метода эффективных температур. Это эффекты, в которых при насыщении магнитного резонанса ( на электронах проводимости, донорных примесях или ферромагнитного резонанса в магнитных полупроводниках) наблюдается изменение электрического сопротивления в окрестности резонанса, причем кривая изменения сопротивления точно воспроизводит кривую резонансного поглощения высокочастотной энергии в образце. Конечно, хотя эффект не очень велик и составляет в лучшем случае (для ферромагнитных полупроводников) величину порядка 30%, тем не менее он позволяет детектировать резонанс по изменению электрического сопротивления.

Следует особо подчеркнуть, что в этом случае речь не идет о повышении температуры всего образца. Увеличивается лишь температура кинетических степеней свободы электронов проводимости.