Акустический парамагнитный резонанс
Входы: акустическая волна.
Выходы: энергетический спектр.
Графическая иллюстрация:
Рис. 2.71. Схема спектрометра для изучения акустического парамагнитного резонанса
Сущность:
Акустический парамагнитный резонанс (АПР) - поглощение энергии акустических волн определенной частоты (избирательное поглощение фононов) системой электронных спинов парамагнетика, которое возникает при совпадении частоты акустической волны (энергии фонона) с интервалом между энергетическими уровнями парамагнитного иона в приложенном магнитном поле. АПР можно рассматривать как акустический аналог электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Передача энергии электромагнитных колебаний парамагнитным частицам при ЭПР происходит непосредственно, в то время как передача акустической энергии при АПР происходит посредством спин-фононного взаимодействия.
Акустический парамагнитный резонанс можно наблюдать при помощи спектрометра. Возбужденные СВЧ-генератором 1(рис.2.71) акустические импульсы распространяются через образец, многократно отражаясь от его торцов. Акустические импульсы излучаются и принимаются пьезоэлектрическими пленочными преобразователями 2 (рис.71), нанесенными на противоположные плоскопараллельные концы образца 3. Серия эхо-сигналов поступает в приемник 4, где и регистрируется.
Математическое описание:
,
- коэффициент,
характеризующий поглощение звука,
W – вероятность перехода,
n-m – спиновые уровни,
- частота,
- разность
населенностей спиновых уровней,
V – объем образца,
g – плотность образца,
-
скорость распределения акустической
волны,
h – константа.
Применение.
С помощью АПР определяют энергетические спектры парамагнитных ионов, исследуют механизмы спин-фононного взаимодействия, изучают динамику электронно-ядерных взаимодействий и нелинейных процессов.
Как спектроскопический метод АПР существенно дополняет и расширяет возможности ЭПР, поскольку при акустическом резонансе разрешены практически все переходы между энергетическими уровнями спинов, а в ЭПР - только магнитные дипольные переходы. Наиболее важно изучение с помощью АПР энергетических спектров ионов с четным числом электронов (Cr2+, Fe2+ и др.), для которых характер спектра определяется Яна-Теллера эффектом. Использование акустических фононов с частотами 1012 Гц позволило определить особенности энергетических спектров ионов с большим начальным расщеплением уровней во внутрикристаллическом поле. Исследовано большое число парамагнитных ионов, содержащихся в диамагнетиках, полупроводниках и магнетиках, имеющих синглетное, дублетное и триплетное орбитальные состояния.
Развитие исследований по АПР и спиновой динамике привело к созданию квантовых усилителей и генераторов ультразвука. Если усиление превосходит затухание упругих волн в кристалле, наступает самовозбуждение системы, сопровождающееся генерацией когерентных фононов. Увеличение мощности распространяющихся через образец акустических импульсов в условиях АПР позволило обнаружить ряд новых явлений, имеющих место в когерентной оптике, - ультразвуковые спиновое эхо и самоиндуцированную прозрачность. Значительно большее время прохождения акустического импульса через среду по сравнению с оптическим импульсом дает возможность получить в этих случаях более точную информацию о механизмах взаимодействия волн различной природы со средой. При исследовании АПР в кристаллах с параэлектрическими центрами обнаружено взаимодействие гиперзвука с параэлектрическими центрами - модуляция диполь-дипольных связей.