RÉSONANCE MAGNÉTIQUE

Thermodynamique des systèmes de spins

Une autre source d'intérêt des systèmes de spins réside dans leur qualité de modèle, qui s'est manifestée entre autres dans le développement de la théorie de la température de spin. Bien que cette théorie soit parfois applicable aux systèmes de spins électroniques, son champ d'application principal est celui des spins nucléaires. Les moments magnétiques nucléaires dans un solide sont soumis à des interactions souvent parfaitement connues et constituent des systèmes thermodynamiques plus simples que ceux qui sont habituellement étudiés en physique. Les méthodes de la résonance magnétique permettent d'étudier leurs propriétés statistiques de façon détaillée et originale. Le couplage entre moments magnétiques nucléaires est plus fort que le couplage de chacun d'eux avec le réseau, si bien qu'un système de spins nucléaires atteint un état d'équilibre statistique interne en un temps beaucoup plus court que le temps de relaxation spin-réseau (temps d'équilibrage thermique entre ces spins et le reste du cristal). Un ordre de grandeur typique de ce temps est un dixième de milliseconde. Des arguments thermodynamiques ont conduit à admettre que cet équilibre interne correspond à une température, que l'on appelle température de spin, qui peut être différente de celle du réseau et le demeurer pendant un certain temps, comparable au temps de relaxation spin-réseau. On sait créer des situations où l'équilibre interne ne peut se décrire qu'au moyen de plusieurs températures de spin différentes attribuées à divers types d'interactions. Il peut ainsi y avoir une température caractérisant la répartition des populations parmi les états d'énergie de l'interaction Zeeman avec le champ magnétique extérieur et une température différente caractérisant la répartition des populations parmi les états d'énergie résultant des interactions entre moments magnétiques nucléaires. Contrairement au cas des systèmes thermodynamiques habituels, l'énergie que peut atteindre un système de spins possède une limite supérieure. Il en résulte que l'on peut créer des situations où la population d'un état est d'autant plus grande que son énergie est plus élevée. Cela conduit, dans l'état d'équilibre statistique, à attribuer au système de spins une température absolue négative. Les études tant théoriques qu'expérimentales ont montré la parfaite cohérence de ce concept. On a pu étudier l'évolution et la vitesse d'évolution des températures de spin sous l'effet d'actions extérieures telles que des variations du champ magnétique ou des irradiations électromagnétiques appropriées et construire une véritable thermodynamique des systèmes de spins. Ces études ont en outre permis de développer des concepts et des techniques expérimentales qui ont élargi les possibilités d'action de la résonance magnétique et apporté une contribution notable aux études physiques énumérées précédemment.