J. Phys. France 46, 1781-1795 (1985)
DOI: 10.1051/jphys:0198500460110178100

Hyperfine and electronic spin waves in atomic hydrogen : the role of the spin exchange process

J.-P. Bouchaud et C. Lhuillier

Laboratoire de Spectroscopie Hertzienne, Ecole Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France

Abstract
The identical spin rotation effect is the quantum mechanical collisional effect underlying the transverse nuclear spin waves recently seen in dilute non degenerate gases in Paris [3He] and at Cornell University [H↓]. This mechanism could in principle give rise, at low enough temperatures, to hydrodynamic oscillatory modes associated with any non diagonal elements of the atomic internal density matrix (generalized spin waves or coherences waves). Starting from a quantum Boltzmann equation recently derived for the study of 4-component atomic hydrogen, we show that the current of any transverse quantity (hyperfine or Zeeman coherence) does indeed precess around molecular exchange fields. Unhappily, in most cases, the oscillatory modes associated with these transverse quantities are heavily damped. The first intrinsic cause of damping of these waves is spin exchange. We study the conditions under which this damping is minimized in both zero field and in high magnetic field. Numerical values of all relevant parameters for the description of spin transport properties in atomic hydrogen are given in the appendices.

Résumé
Le mécanisme microscopique qui sous-tend le phénomène d'ondes de spin nucléaire récemment mises en évidence dans des systèmes gazeux non dégénérés : 3He [Paris] et H↓ [Cornell] est la rotation des spins des particules identiques. C'est un phénomène de mécanique quantique extrêmement général qui conduit à prévoir l'existence possible de modes propagatifs associés à la dynamique des éléments non diagonaux de la matrice densité à basse température (ondes de spins généralisées). Cette prédiction est étudiée en détail dans le cas de l'hydrogène atomique à 4 composantes. Partant d'une équation de Boltzmann établie récemment pour ce problème, il est montré sur quelques exemples que les modes prévus existent en réalité mais qu'ils sont en maintes conditions fortement amortis. La première cause intrinsèque d'amortissement est liée au phénomène d'échange de spin. Nous étudions, tant en bas champ magnétique qu'en haut champ, les conditions permettant de minimiser cet effet d'amortissement. Les valeurs numériques permettant de calculer toutes les caractéristiques du transport de spin dans l'hydrogène atomique sont données en appendice.

PACS
3130G - Hyperfine interactions and isotope effects, Jahn-Teller effect.

Key words
atom atom collisions -- atomic hyperfine structure -- Boltzmann equation -- elastic scattering of atoms and molecules -- hydrogen neutral atoms