Efecto Sokolov-Ternov

Fenómeno físico de la polarización de espín

El efecto Sokolov-Ternov es el efecto de la autopolarización de los electrones o positrones relativistas que se mueven a alta energía en un campo magnético . La autopolarización se produce a través de la emisión de radiación sincrotrón de cambio de espín . El efecto fue predicho por Igor Ternov y la predicción fue rigurosamente justificada por Arseny Sokolov utilizando soluciones exactas a la ecuación de Dirac . ^{[1] [2]}

Teoría

Un electrón en un campo magnético puede tener su espín orientado en la misma dirección ("spin up") o en la opuesta ("spin down") con respecto a la dirección del campo magnético (que se supone que está orientado "arriba"). El estado "spin down" tiene una energía mayor que el estado "spin up". La polarización surge debido al hecho de que la tasa de transición a través de la emisión de radiación sincrotrón al estado "spin down" es ligeramente mayor que la probabilidad de transición al estado "spin up". Como resultado, un haz inicialmente no polarizado de electrones de alta energía que circula en un anillo de almacenamiento después de un tiempo suficientemente largo tendrá espines orientados en la dirección opuesta al campo magnético. La saturación no es completa y se describe explícitamente mediante la fórmula ^[3]

${\displaystyle \xi (t)=A\left(1-e^{-{\frac {t}{\tau }}}\right),}$

donde es el grado límite de polarización (92,4%), y es el tiempo de relajación: ${\displaystyle A=8{\sqrt {3}}/15\approx 0.924}$ ${\displaystyle \tau }$

${\displaystyle \tau =A{\frac {4\pi \varepsilon _{0}\hbar ^{2}}{mce^{2}}}\left({\frac {mc^{2}}{E}}\right)^{2}\left({\frac {H_{0}}{H}}\right)^{3}.}$

Aquí es como antes, y son la masa y la carga del electrón, es la permitividad del vacío , es la velocidad de la luz, es el campo de Schwinger , es el campo magnético y es la energía del electrón. ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle H_{0}\approx 4.414\times 10^{13}~{\text{gauss}}}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle E}$

El grado límite de polarización es menor que uno debido a la existencia de intercambio de energía espín-orbital, que permite transiciones al estado "spin up" (con una probabilidad 25,25 veces menor que al estado "spin down"). ${\displaystyle A}$

El tiempo de relajación típico es del orden de minutos y horas, por lo que producir un haz altamente polarizado requiere un tiempo suficientemente largo y el uso de anillos de almacenamiento .

El efecto de autopolarización de los positrones es similar, con la única diferencia de que los positrones tenderán a tener espines orientados en la dirección paralela a la dirección del campo magnético. ^[4]

Observación experimental

El efecto Sokolov-Ternov se observó experimentalmente en la URSS , Francia, Alemania, Estados Unidos, Japón y Suiza en anillos de almacenamiento con electrones de energía 1-50 GeV. ^{[3] [5]}

• 1971 – Instituto Budker de Física Nuclear (primera observación), con el uso del anillo de almacenamiento de 625 MeV VEPP-2.
• 1971 – Orsay (Francia), con la utilización del anillo de almacenamiento АСО de 536 MeV.
• 1975 – Stanford (EE.UU.), con el uso del anillo de almacenamiento SPEAR de 2,4 GeV.
• 1980 – DESY , Hamburgo (Alemania), con el uso de 15,2 GeV PETRA .

Aplicaciones y generalizaciones

El efecto de la polarización radiativa proporciona una capacidad única para crear haces polarizados de electrones y positrones de alta energía que pueden utilizarse para diversos experimentos.

El efecto también se ha relacionado con el efecto Unruh , que hasta ahora, en condiciones alcanzables experimentalmente, es demasiado pequeño para ser observado.

La polarización de equilibrio propuesta por Sokolov y Ternov tiene correcciones cuando la órbita no es perfectamente plana. La fórmula ha sido generalizada por Derbenev y Kondratenko y otros. ^[6]

Patentar

• Sokolov AA y Ternov IM (1973): Laudo N 131 de 7 de agosto de 1973 con prioridad de 26 de junio de 1963, Byull. Otkr. i Izobr., vol. 47 .

Véase también

• Efecto Unruh
• Radiación de Hawking
• Ecuación de Froissart-Stora

Notas

1. Sokolov, AA; IM Ternov (1963). О поляризационных и спиновых эффектах в теории синхротронного излучения[Efectos de polarización y espín en la teoría de la radiación sincrotrón]. Doklady Akademii Nauk SSSR (en ruso). 153 (5): 1052–1053.
2. AA Sokolov & IM Ternov (1964). "Sobre los efectos de polarización y espín en la teoría de la radiación sincrotrón" (PDF) . Sov. Phys. Dokl . 8 : 1203. Bibcode :1964SPhD....8.1203S.^{[ enlace muerto permanente ]}
3. AA Sokolov; IM Ternov (1986). CW Kilmister (ed.). Radiación de electrones relativistas . Nueva York: American Institute of Physics Translation Series. ISBN 0-88318-507-5.Sección 21.3 para la teoría y sección 27.2 para verificaciones experimentales del efecto Sokolov-Ternov.
4. J. Kessler (1985). Electrones polarizados (2.ª ed.). Berlín: Springer.Sección 6.2.
5. VA Bordovitsyn, ed. (1999). Teoría de la radiación sincrotrón y su desarrollo: en memoria de IM Ternov. Singapur: World Scientific . ISBN 981-02-3156-3Archivado desde el original el 3 de enero de 2010 . Consultado el 17 de agosto de 2008 .
6. Barber, DP; Mane, SR (1988). "Cálculos de Bell y Leinaas y de Derbenev y Kondratenko para la polarización radiativa de electrones" (PDF) . Physical Review A . 37 (2): 456–463. Bibcode :1988PhRvA..37..456B. doi :10.1103/PhysRevA.37.456. PMID  9899676. S2CID  29197700.