Необходимо напомнить, что атомное ядро в большинстве элементов тоже имеет магнитный момент, но очень малый, в тысячи раз меньший атомного момента. Для каждой ориентации атомного магнитного момента ядерный момент, в свою очередь, принимает конечное число ориентации. Это придает каждому атомному зеемановскому уровню более тонкую структуру, называемую ввиду ее малости сверхтонкой структурой. Эта сверхтонкая структура отражает взаимодействие между атомным и ядерным моментами, или, выражаясь иначе, магнитное поле, производимое электронами атома там, где находится ядро. Таким образом, ядро является микроскопическим зондом для изучения атомных волновых функций вблизи ядра, что и придает этому крошечному явлению такое значение.

Эти явления, очень простые для свободного атома (например, в атомарных парах) и известные еще до войны, становятся гораздо сложнее, но и гораздо интереснее для атома в веществе, находящемся в конденсированном состоянии, например в кристалле. Там межатомное взаимодействие приводит к глубоким изменениям волновых функций электронов, особенно внешних. В частности, магнетизм атомов (или ионов) становится анизотропным, т. е. зависящим от ориентации внешнего поля относительно осей кристалла.

Джон Ван Флек показал в тридцатых годах, что взаимодействия атомов можно описать с достаточной точностью моделью, в которой каждый атом ощущает фиктивное кристаллическое поле, симулируещее эффекты межатомных связей. С помощью этой модели Ван Флек и руководимая им группа успешно объяснили магнитные свойства элементов группы железа и редких земель. Явление парамагнитного резонанса было открыто русским физиком Завойским в 1944 году. Однако свое главное развитие оно получило благодаря трудам Блини и его коллег, которые смогли извлечь из своих измерений гораздо более подробную информацию, чем та, которая была доступна из статических измерений магнитной восприимчивости.[10]

В веществе, находящемся в конденсированном состоянии, встречается случай, когда два атома находятся так близко друг от друга, что их волновые функции перекрываются; из-за квантовой неразличимости электронов вопрос, которому из двух атомов принадлежит электрон, теряет смысл. Дирак показал, что для двух электронов, принадлежащих таким двум атомам, возможность обменяться положениями эквивалентна обмену ориентации их спинов; а это, в свою очередь, соответствует существованию между спинами скалярной связи так называемого обменного взаимодействия. Гейзенберг первый показал, что это обменное взаимодействие и является источником огромного феноменологического молекулярного поля, которое французский физик Пьер Вейсс (Pierre Weiss) предложил в начале столетия для объяснения ферромагнетизма.

Прайс предложил мне сделать теоретическую оценку величины J обменного взаимодействия между двумя ионами меди в кристалле сульфата. Существование этого взаимодействия изменяло форму ЭПР спектра этих ионов. Из наблюдаемого изменения можно было извлечь экспериментальную оценку величины J, и Прайс считал, что было бы интересно сравнить обе оценки. В первый раз в жизни, в тридцать три года (я часто говорю о своем возрасте потому, что это стало для меня навязчивой идеей), компетентный и добросовестный руководитель предлагал, может быть, не столь увлекательную, но не лишенную смысла задачу. Однако, всегда недовольный, я не был рад. Я сразу понял, что эта работа потребует нескольких месяцев прескучных вычислений, во время которых, как очень тактично дал мне понять Прайс, он сможет посвятить больше времени остальным аспирантам или своим собственным работам.*

Размышления о блестящей карьере Прайса не облегчали моего душевного состояния. Старше меня всего на два года, он заведовал одной из самых престижных кафедр Великобритании (той самой, к которой Чаруэлл закрыл мне дорогу семь лет спустя); он был широко известен своими довоенными, глубоко абстрактными работами, по теории поля и общей относительности и, во время войны, своей более или менее секретной атомной деятельностью.

*Спасло меня от уныния открытие сверхтонкой структуры в кристалле, так называемых туттоновых (Tutton) медных солей. Открытие было сделано в октябре 1948 года Пенроузом (Penrose), товарищем Блини, который провел несколько месяцев в лаборатории известного голландского физика Гортера в Лейдене, благодаря блестящей идее: сильно разбавить в кристалле магнитные ионы меди немагнитными ионами цинка. Сверхтонкая структура ионов меди, которая при нормальной концентрации была скрыта магнитными взаимодействиями между ними, становилась ясно видной в разбавленном кристалле в виде четырех резонансных линий, соответствующих четырем возможным ориентациям ядерного спина меди. Четырем, потому что у ядерного спина меди, I = (3/2), имеются (2I + 1) = 4 возможные ориентации. Это было первым наблюдением сверхтонкой структуры в веществе в конденсированном состоянии.

Электронная структура иона меди в туттоновых солях была хорошо известна по прежним измерениям восприимчивости, дополненным опытами по ЭПР на концентрированных кристаллах, и казалось вполне возможным с помощью всех этих данных вычислить анизотропию сверхтонкой структуры в разбавленном кристалле. Прайс сделал предварительное вычисление на пресловутом «конверте», подсчитал анизотропию и получил «два к одному», что в сравнении с наблюдениями Пенроуза было качественно правильно, но количественно слишком мало. Прайс поручил мне улучшить его оценку, учитывая другие эффекты, о которых предполагалось, что их влияние невелико, как, например, спин-орбитальное взаимодействие (не стану распространяться о нем, чтобы не стать еще более непонятным).

Я принялся за работу с энтузиазмом и через несколько дней принес Прайсу результаты гораздо более полной теории. Прайсу понравилась изящность. Меньше ему понравились мои численные результаты. Я получил анизотропию «один к двум», т. е. меньшую единицы, а значит обратную той, которая наблюдалась на опыте. Изящность теории облегчила проверку, ошибки не было. У Блини, Прайса и у всех остальных — у меня в Кларендоне, у Пенроуза, Гортера и их сотрудников в Лейдене — оказалась в руках задача первой величины. Разгадку тайны задерживала еще внезапная болезнь Пенроуза в Лейдене, которая унесла его в мир иной несколько недель спустя. Открытие сверхтонкой структуры принадлежало Пенроузу, все данные его опытов были его частным сообщением Блини, и в течение долгих недель, пока он боролся со смертью, не было и речи о том, чтобы делать новые опыты в Кларендоне или публиковать мои странные результаты.

После кончины Пенроуза появилась краткая заметка в «Nature», подписанная им, а за ней другая, подписанная Прайсом и мною, подчеркивающая вопиющее расхождение между теорией и экспериментом. Расчет обменной константы J, предложенный мне Прайсом, канул в Лету, а создание удовлетворительной теории сверхтонкой структуры, которой пока не существовало, стало моей проблемой, подхода к решению которой никто не знал. После смерти Пенроуза его опыты были усовершенствованы и проведены на других солях меди, а также на соли кобальта. Повсюду та же таинственная анизотропия! Во всех этих солях все магнитные свойства, кроме сверхтонкой структуры, прекрасно объяснялись теорией кристаллического поля Ван Флека, параметры которой нельзя было изменять, потому что она прекрасно объясняла все остальные свойства. Я был одержим этим противоречием; думал о нем за письменным столом, за едой, нежась на солнце в «Parson's Pleasure».

Именно в этом противоречии и нашлось, наконец, решение. Какое свойство электронной оболочки могло так сильно изменить сверхтонкую структуру, не влияя на остальные магнитные свойства иона? Я пришел к ответу: электроны, находящиеся ближе других к ядру, так называемые S-электроны, были ответственны за эффект. Достаточно было добавить к общепринятой электронной конфигурации «щепотку» так называемой S-конфигурации, в которой один S-электрон извлекался с глубоко лежащей орбиты и переводился на внешнюю орбиту, как это приводило к желаемой анизотропии сверхтонкой структуры, не затрагивая других свойств иона. Практически достаточно было добавить один изотропный член к выражению для подсчитанной сверхтонкой структуры, член, полученный эмпирически, но один и тот же для всех солей меди, чтобы согласовать теорию с экспериментом. С помощью вычислительных средств, находящихся в моем распоряжении, я не мог подсчитать поправку теоретически, но смог показать, что порядок ее величины был вполне приемлемым.