АКУСТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

АКУСТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

       

(АЯМР), избирательное поглощение энергии акустич. колебаний (фононов), обусловленное переориентацией магн. моментов ат. ядер в тв. теле, помещённом в постоянное магн. поле. Для большинства ядер резонансное поглощение наблюдается в области УЗ частот от 1 до 100 МГц. АЯМР аналогичен ядерному магнитному резонансу (ЯМР).

Природа резонансного поглощения фононов связана с передачей энергии упругой волны системе яд. спинов вследствие модуляции акустич. колебаниями разл. внутр. вз-ствий (см. СПИН-ФОНОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ). Акустические колебания с частотой v, распространяясь в в-ве, могут вызвать квант. переход ядра между магн. подуровнями, характеризуемыми разными направлениями спина, если энергия фонона равна разности между уровнями энергий. Переход с нижнего уровня ?1 на верхний ?2 сопровождается поглощением фонона,

резонансная линия с характерной для неё шириной и формой. При АЯМР разрешены переходы с магнитными квантовыми числами m= ±1, ±2 (рис.), в то время как в обычном ЯМР разрешены переходы только с m=±1.

Экспериментально АЯМР наблюдается, как и акустический парамагнитный резонанс, в виде добавочного поглощения УЗ (метод прямого акустич. резонанса) или регистрацией насыщения линий ЯМР (метод акустич. насыщения ЯМР).

Применение АЯМР позволяет расширить возможности ЯМР и получить дополнит. информацию о структуре тв. тел. АЯМР широко используется при исследованиях металлов и низкоомных ПП (напр., InSb), когда применение методов ЯМР затруднительно вследствие скин-эффекта, не позволяющего эл.-магн. полю проникнуть внутрь образца. АЯМР — метод исследования яд. спин-фононного вз-ствия; он позволяет изучать при комнатных температурах однофононные процессы, к-рые в ЯМР проявляются только при очень низких темп-рах, получать информацию о дислокациях и др. дефектах кристалла, о величине и природе внутренних магн. полей, а также о процессах тепловой релаксации в магн. материалах, в частности о роли вз-ствия фононов со спиновыми волнами (см. МАГНИТОУПРУГИЕ ВОЛНЫ). АЯМР можно использовать для регистрации нелинейных фонон-фононных вз-ствий в тв. телах (см. НЕЛИНЕЙНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

АКУСТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

(АЯМР) - поглощение энергии акустич. волн определ. частоты (избират. поглощение фононов) системой ядерных спинов твёрдого тела, возникающее при совпадении частоты УЗ с интервалом между энергетич. уровнями ядерных спинов во внеш. магнитном или внутрикристаллическом поле. Это явление аналогично ядерному магнитному резонансу (ЯМР).

Известно неск. механизмов, ответственных за поглощение энергии акустич. волн ядерными спинами (ядерные спин-фононные взаимодействия). Так, для диэлектриков с ядерными спинами наиболее существенны модуляция акустич. волной электрич. внутрикристаллич. поля и возникновение при этом переменных градиентов электрич. поля, взаимодействующих с квадрупольными моментами ядер. Для ядер с , у к-рых отсутствуют квадрупольные моменты, преобладает модуляция магн. диполь-дипольных взаимодействий. В парамагнетиках, где существует сильная связь электронов с ядрами, спин-фононное взаимодействие осуществляется посредством модуляции сверхтонких электронно-ядерных взаимодействий. Распространение акустич. волны в проводящей среде, содержащей свободные электроны, приводит к возникновению переменного магн. поля, воздействующего на ядерные спины. Однако при наличии достаточно большого квадрупольного момента в проводниках может действовать и квадрупольный механизм. Установлено, что спин-фононная связь усиливается за счёт дефектов, создающих дополнит. локальные градиенты электрич. поля на ядрах.

Изучение АЯМР проводится на УЗ-частотах 1-100 МГц двумя методами. В первом - непосредственно измеряется дополнит. поглощение звука в образце при резонансе. Коэфф. поглощения

где W- вероятность переходов между ядерными спиновыми уровнями п и т под действием УЗ с частотой - разность населённостей уровней, и V - плотность и объём образца, - скорость распространения УЗ-волны. Поскольку ~ 10^-6- 10^-9 см ^-1, то для достижения необходимой чувствительности используются те же методы, что и в ЯМР. Измерит. генератор, возбуждающий составной резонатор (образец + пьезопреобразователь), настраивается на одну из собств. частот резонатора. К образцу прикладывается магн. поле, к-рое медленно изменяется.

Дополнит. поглощение акустич. энергии ядерной спин-системой проявляется в изменении амплитуды напряжения на выходе генератора при прохождении магн. полем значения, соответствующего АЯМР. Во втором методе используется акустич. насыщение ядерных спиновых уровней. Резонансные акустич. колебания возбуждают переходы между спиновыми уровнями, а возникающее при этом изменение населённостей уровней измеряется по интенсивности сигналов ЯМР. Вследствие акустич. возбуждения спиновых переходов разность населённостей уровней, а следовательно, и интенсивность сигналов ЯМР уменьшаются в отношении

где - первонач. интенсивность сигнала, А - интенсивность сигнала при акустич. воздействии, - время спин-решёточной релаксации, r(~ 1-3) определяется характером распространения акустич. волн в образце.

Метод АЯМР обладает рядом дополнит. возможностей по сравнению с ЯМР, что связано с отличными от ЯМР правилами отбора для переходов и особенностями ядерного спин-фононного взаимодействия. Наиболее подробно методом АЯМР были изучены механизмы спин-фононных взаимодействий в разл. диэлектриках, что позволило усовершенствовать теорию внутрикристаллич. электрич. полей и вычислить ряд параметров кристаллич. решётки, напр. угл. характеристики хим. связей, градиенты электрич. полей на ядрах. Разработан способ оценки дефектности кристаллов на основе изучения спин-фононных взаимодействий и сравнения ширины линий АЯМР и ЯМР. Использование двойных магнитоакустич. резонансов позволило исследовать ряд новых явлений: динамич. поляризацию атомных ядер УЗ, акустич. многоквантовые переходы в многоуровневых неэквидистантных ядерных и электронно-ядерных системах.

Высокая чувствительность позволяет применять двойные резонансы к изучению АЯМР ядер с малой концентрацией или слабым спин-фононным взаимодействием. Методом АЯМР были исследованы монокристаллы металлов, сплавов и низкоомных полупроводников. Такие исследования с помощью ЯМР ограничиваются только глубиной скин-слоя, в то время как использование АЯМР позволяет изучать образцы больших объёмов. Причём в ряде случаев для кристаллов с высокой проводимостью АЯМР является единств. методом исследования спиновых систем (напр., для ядер рения). Очень большое резонансное поглощение звука ( ~ ~ 1-10² см ^-1) обнаружено на спинах магнитоактивных ядер в антиферромагнетиках типа "плоскость лёгкого намагничивания", что связано с сильным электронно-ядерным взаимодействием. Такие вещества являются модельными образцами для исследования различных нелинейных эффектов. Так, в условиях АЯМР был обнаружен солитонный характер распространения акустич. импульсов, что ранее наблюдалось в осн. в оптич. диапазоне.

Лит.: Шутилов В. А., Ядерный магнитный резонанс на ультразвуке, "Акуст. ж.", 1962, т. 8, с. 383; Кессель А. <Р., Ядерный акустический резонанс, М., 1969; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 4, ч. А, М., 1969, гл. 3; Магнитная квантовая акустика, М., 1977.

В. А. Голенигцев-Кутузов.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.