L'effetto Barnett elettronico, osservato per la prima volta da Samuel Barnett nel 1915, è la magnetizzazione di un corpo privo di carica mentre viene fatto ruotare sul suo asse longitudinale. Ciò è causato da un accoppiamento tra il momento angolare degli spin elettronici e la rotazione dell'asta.

Usando un metodo diverso da quello impiegato da Barnett, due ricercatori della New York University hanno osservato una versione alternativa di questo effetto chiamato effetto Barnett nucleare, che deriva dalla magnetizzazione dei protoni piuttosto che degli elettroni. Il loro studio, pubblicato in Lettere di revisione fisica ( PRL ), ha portato alla prima osservazione sperimentale di questo effetto.

"Ero uno studente laureato alla New York University dove un gruppo di colleghi era coinvolto in un progetto relativo all'imaging cerebrale, "Mohsen Arabgol, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. L'idea fondamentale alla base del progetto era polarizzare le molecole del cervello inducendo la rotazione utilizzando l'effetto Barnett e quindi applicando l'imaging di tipo MRI. Mi sono interessato e ho deciso di lavorare sulla rilevazione dell'effetto nucleare Barnett come mio dottorato di ricerca. tesi."

Inizialmente, Arabgol e il suo supervisore Tycho Sleator volevano guidare la rotazione del corpo utilizzato nei loro esperimenti trasferendo il momento angolare orbitale della luce nel campione. Si resero presto conto che questa tecnica non funzionava davvero, e quindi ha deciso di impiegare un metodo più promettente utilizzando un filatore meccanico per guidare la rotazione.

"La trottola meccanica ci ha permesso di far girare un campione d'acqua più grande fino a velocità prossime a 15, 000 giri al secondo, e infine, siamo stati in grado di dimostrare l'effetto nucleare Barnett, " ha detto Arabgol.

Nei loro esperimenti, Arabgol e Sleator hanno utilizzato una turbina rotante commerciale per ruotare un campione d'acqua fino a velocità molto elevate. Hanno anche usato una macchina per risonanza magnetica nucleare (NMR) non standard progettata per funzionare a basse frequenze. Questo è in netto contrasto con i sistemi NMR commerciali, che operano in alta frequenza.

"Nel nostro esperimento, stavamo cercando un cambiamento nel segnale NMR che fosse inversamente proporzionale alla frequenza NMR, "Ha detto Arabgol. "Così ironicamente, volevamo un apparato NMR a bassa frequenza, e abbiamo dovuto progettare e assemblare le parti da soli. Per metterlo in numeri, abbiamo finito per lavorare con un apparato che funzionava a meno di 1 MHz, e abbiamo iniziato a cercare qualche variazione percentuale (da 1 a 3) nel segnale. Se volessimo usare un apparato standard, abbiamo dovuto cercare un cambiamento nel segnale di pochi ordini di grandezza più piccolo, il che è impossibile a causa della varietà dei rumori."

La tecnica NMR impiegata da Arabgol e Sleator, chiamato CPMG-Aggiungi, funziona elaborando una serie di segnali (o echi) molto deboli. Il segnale risultante era abbastanza forte da essere facilmente rilevato dalla configurazione dei ricercatori, al punto che le velocità di rotazione raggiunte lo hanno modificato di una quantità significativa.

"Per quanto posso dire, la bellezza di questo esperimento non era trovare una tecnica straordinaria o utilizzare un nuovo apparato, ma trovando la combinazione molto ristretta di molti parametri nell'esperimento ed eseguendo l'intero esperimento con il massimo livello di attenzione e consapevolezza sulla varietà di rumori disponibili, "Ha detto Arabgol. "La nostra osservazione più interessante è stata che è, infatti, possibile magnetizzare i protoni semplicemente ruotando un campione. È stato piuttosto eccitante, poiché la controparte elettronica di questo effetto era stata osservata quasi 100 anni fa e non eravamo sicuri se fosse possibile fare la stessa cosa per i protoni, soprattutto visto che lo stesso effetto è quasi 700 volte più piccolo nei protoni rispetto agli elettroni".

Arabgol e Sleator furono i primi a magnetizzare i protoni, ottenere un'osservazione affidabile dell'effetto Barnett nucleare. Un altro aspetto interessante del loro studio è che la magnetizzazione che hanno osservato non ha nulla a che fare con i campi magnetici. Ciò è particolarmente degno di nota, poiché i ricercatori hanno finora tipicamente magnetizzato gli oggetti applicando loro un campo magnetico. Lo studio condotto da Arabgol e Sleator, però, dimostra che ci sono, infatti, altri meccanismi che possono indurre magnetizzazione senza necessariamente creare un campo magnetico.

Da un punto di vista teorico, queste osservazioni migliorano l'attuale comprensione della relazione tra magnetizzazione e rotazione. Dal punto di vista pratico, potrebbero aiutare lo sviluppo di sistemi NMR a frequenza ultrabassa introducendo una nuova tecnica per indurre la magnetizzazione che non richiede magneti.

"Abbiamo condotto il nostro esperimento per i liquidi, "Ha detto Arabgol. "Un passo successivo molto logico sarebbe quello di convalidare i risultati per i solidi. Misurare l'effetto Barnett per i solidi sarebbe molto più difficile usando la stessa tecnica. Come abbiamo spiegato prima, l'effetto è così piccolo che alla fine ha funzionato solo una combinazione molto ristretta di parametri, e purtroppo è quasi impossibile trovare una tale combinazione per i solidi. È degno di nota, però, che il nostro è solo un approccio per affrontare questo problema. Altre tecniche (ad esempio i metodi basati su SQUID) potrebbero essere più promettenti".

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