- СПИН-ФОНОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
- СПИН-ФОНОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
-
взаимодействие между магн. моментами парамагн. ч-ц в в-ве или ядер (системы спинов) и упругими колебаниями окружающей их среды (фононами). Различают электронное С.-ф. в. и ядерное С.-ф. в.Электронное С.-ф. в. в парамагн. кристаллах обусловлено разл. механизмами. В «разбавленных» парамагнетиках — кристаллах, где решётку образуют диамагн. ионы, а парамагн. ионы замещают лишь незначит. их часть и практически не взаимодействуют друг с другом, осн. роль играет механизм Ван Флека. Диамагн. ионы в таких кристаллах создают сильное электрич. внутрикристаллическое поле. Распространение акустич. волн в кристалле приводит к периодич. искажению крист. решётки и, следовательно, к периодич. изменению внутрикрист. поля. Переменное поле влияет на орбитальное движение эл-нов парамагн. иона и тем самым на его орбитальный магн. момент, изменение к-рого посредством спин-орбитального взаимодействия вызывает переориентацию спинового магн. момента иона.В материалах с большой плотностью парамагн. ч-ц, где нельзя пренебрегать влиянием парамагн. ионов друг на друга, гл. роль при С.-ф. в. играет т. н. механизм Валлера. При упругих колебаниях решётки расстояния между парамагн. ионами изменяются с частотой этих колебаний. Возникает осциллирующее магн. поле, к-рое взаимодействует со спиновым и орбит. магн. моментами парамагн. ч-ц.Электронное С.-ф. в. сильно проявляется в парамагн. кристаллах с ионами группы железа и редкоземельными ионами, напр. в Аl2О3, с примесью ионов Cr3+, в CaFe2 с Eu2+ .Передача энергии фононов системе спинов происходит в два этапа: от фононов к орбитальному движению эл-нов и от орбитального движения к спинам. Такое спин-решёточное вз-ствие может осуществляться посредством двух процессов: прямого и непрямого.
поглощение энергии фонона и соответствующее увеличение энергии спиновой системы (рис., б). Прямые процессы преобладают при низких темп-рах; они, напр., наблюдаются во многих парамагн. системах при темп-рах жидкого гелия. С повышением темп-ры энергия колебаний кристаллической решётки возрастает и начинает преобладать непрямой, или комбинац. (многофононный), процесс спин-решёточного вз-ствия: при переходах с уровня ?j на уровень ?i может происходить одновременно поглощение фононов с энергией hn1 и излучение фононов с энергией hn2, так что в результате выполняется условие: ?i-?j=h(n1-n2).
В непрямых процессах участвуют нормальные колебания решётки, характерные для данной темп-ры, поскольку частоты n1 и n2 могут иметь разл. значения в широких пределах; в прямых процессах принимают участие только фононы резонансной частоты n0.Для количеств. оценки процессов спин-решёточной релаксации и С.-ф. в. пользуются константами С.-ф. в., характеризующими зависимость изменения энергии спиновой системы от деформаций решётки. Константы С.-ф. в. Gijkl явл. компонентами тензора, вид к-рого существенно зависит от симметрии локального электрич. поля вблизи парамагн. иона. Для определения Gijkl чаще всего пользуются методами одноосного сжатия и акустического парамагнитного резонанса. Первый состоит в измерении сдвига линий электронного парамагнитного резонанса под действием одноосного давления, вызывающего статич. деформацию парамагнетика. Величина сдвига пропорциональна первой степени констант С.-ф. в., что позволяет определять величину и знак этих констант.В случае ядерного С.-ф. в. связь упругих колебаний тв. тела с системой яд. спинов осуществляется посредством неск. видов электрич. и магн. вз-ствий, сила к-рых периодически модулируется акустич. колебаниями. Такими вз-ствиями являются: магн. вз-ствие между спинами соседних ядер — спиновое вз-ствие; электрич. вз-ствие между квадрупольными моментами ядра и градиентом электрич. поля, создаваемым внеш. (по отношению к ядру) зарядами; сверхтонкое вз-ствие в ферромагн. материалах; вз-ствие яд. магн. момента со слабым радиочастотным магн. полем, возникающим при распространении поперечной звуковой волны в металле, и др.Ядра со спином I>1/2 обладают электрич. квадрупольным моментом. Акустич. колебания крист. решётки вызывают периодич. изменения градиента внутрикрист. электрич. полей, к-рые, взаимодействуя с квадрупольным моментом ядра, осуществляют ядерное С.-ф. в. Передача энергии акустич. колебаний яд. спинам осуществлялась гл. обр. за счёт яд. электрич. квадрупольного вз-ствия (см. ЯДЕРНЫЙ КВАДРУПОЛЪНЫЙ РЕЗОНАНС). Такие вз-ствия наблюдаются в щёлочно-галоидных кристаллах, содержащих ядра, напр. 23Na, 79Br; в полупроводниках группы AIIIBV, таких, как InSb, к-рый содержит ядра 115In, и др.; в монокристаллах металлов, напр. Та. Ядерное С.-ф. в. чаще всего характеризуется коэфф. спин-фононного поглощения звука, к-рый позволяет получать информацию о природе и величине внутр. магн. полей и о процессах яд. спин-решёточной релаксации, определять величину яд. квадрупольного вз-ствия и др. Ядерное С.-ф. в. изучается с помощью методов, используемых при наблюдении акустического ядерного магнитного резонанса, т. е. в области частот от 1 до 100 МГц.
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.
- СПИН-ФОНОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
-
- взаимодействие электронных и ядерныхспинов атомов твёрдого тела с упругими колебаниями кристаллической решётки. Последнимв квантовомеханич. представлении соответствует поле фононов. Колебаниярешётки, тепловые или вызванные внеш. упругой волной, периодически изменяютрасстояния между атомами, что приводит к модуляции как внутрикристаллическогополя, так и взаимодействий между спинами электронов и ядер, т. е. к спин-спиновомувзаимодействию.
С.-ф. в. обусловливает релаксационные процессы, приводящие к установлениютеплового равновесия между системой спинов и решёткой,- т. н. спин-решёточнуюрелаксацию (см. Релаксация магнитная). Оно также оказывает влияниена положение и ширину спиновых уровней, приводя к сдвигу фактора спектроскопич. <расщепления и изменению констант тонкого и сверхтонкого спиновых расщеплений. <С.-ф. в. ответственно за поглощение энергии акустич. колебаний при акустическомпарамагнитном резонансе (АПР).
Известно неск. механизмов С.-ф. в. Для электронных спинов парамагнитныхионов в т. н. слабоконцентрированных парамагнетиках (напр., примесных парамагн. <ионах в диамагн. матрице), где взаимодействием между парамагн. ионами можнопренебречь, наиболее существенным является электрич. механизм, обусловленныймодуляцией внутрикристаллич. электрич. поля упругими колебаниями решётки. <Осциллирующее поле нарушает орбитальное движение электрона и посредствомспин-орбитального взаимодействия вызывает переориентацию спинов парамагн. <ионов. Этот процесс связан с т. н. ванфлековским парамагнетизмом, обусловленнымдеформацией электронной оболочки иона. Механизм Ван Флека характерен дляпримесных ионов группы Fe и редких земель в диэлектрич. и полупроводниковыхкристаллах (напр., Fe2+ в А12O3 и MgO;Сr2+ в GaAs). С.-ф. в. возникает в результате модуляции зеемановскойэнергии или взаимодействия электронной намагниченности с магн. полем, обусловленнымядерным магнитным моментом (см. Сверхтонкое взаимодействие).
В концентрированных парамагнетиках С.-ф. в. может осуществляться засчёт модуляции колебаниями решётки магнитного дипольного или обменноговзаимодействий между спинами, поскольку они зависят от расстояний междуионами (механизм Валера). В случае диэлектриков этот механизм может конкурироватьс ванфлековским только для ионов с большим магн. моментом.
В магнитоупорядоченных веществах основную роль в С.-ф. в. играет модуляцияупругими колебаниями решётки обменного взаимодействия между спинами. Всвою очередь, коллективные колебания спинов ( спиновые волны), распространяясьпо кристаллу, вызывают смещения ионов решётки, что приводит к возникновениюсвязанных т. н. магнитоупругих колебаний. Их интенсивность возрастает присовпадении частот спиновой и упругой волн с одинаковым волновым вектором.
Для атомов, ядра к-рых обладают квадрупольным моментом, существенноС.-ф. в., обусловленное связью переменных градиентов внутрикристаллич. <поля с квадрупольными моментами ядер. Квадрупольный механизм С.-ф. в. присущдиэлектрикам, слаболегированным полупроводникам и ряду металлов.
В проводящих средах ( металлах, сильнолегированных полупроводниках)с большой концентрацией электронов проводимости помимо электрич. механизмаС.-ф. в. существует т. н. механизм Ольфера - Рубина, связанный с возникновениемдополнительного переменного магн. поля, обусловленного взаимодействиемколебаний решётки с электронами проводимости. При этом переменное магн. <поле модулирует дипольное взаимодействие между магнитными моментами ядер. <В металлах для ядер с большим квадрупольным моментом преобладающую рольиграет квадрупольный механизм С.-ф. в., а для ядер с малым квадрупольныммоментом могут одновременно участвовать два механизма - квадрупольный идипольный. С понижением темп-ры Т от 300 К до 14 К из-за вымораживанияносителей вклад дипольного механизма значительно уменьшается. При квадрупольноммеханизме возможны переходы между спиновыми уровнями с изменением магн. <квантового числа на 2, а при дипольном механизме только на 1.
Интенсивность С.-ф. в. характеризуется элементами тензора четвёртогоранга, связывающими изменение энергии системы спинов с деформацией решётки. <Значения элементов цензора С.-ф. в. зависят от конкретных механизмов С.-ф. <в. и отражают локальную симметрию внутрикристаллич. поля вблизи данногоиона. Элементы тензора С.-ф. в. могут быть определены экспериментальнопо сдвигу линии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерногомагнитного резонанса, а также под действием одноосного давления; попоглощению энергии при АПР; по акустическому насыщению линий ЭПР и ЯМР;по времени спин-решёточной релаксации. Экспериментальное определение константС.-ф. в. и сопоставление их с теоретич. значениями, соответствующими темили иным механизмам С.-ф. в., позволяют получать информацию о структуреи величине внутрикристаллич. полей и о динамике спин-решёточных взаимодействий.
Лит.: Альтшулер С. А., Козырев Б. М., Электронный парамагнитныйрезонанс соединений элементов промежуточных групп, 2 изд., М., 1972; КессельА. Р., Ядерный акустический резонанс, М., 1969; Т а к е р Д., Р э м п то н В., Гиперзвук в физике твердого тела, пер. с англ., М., 1975; Магнитнаяквантовая акустика, под ред. С. А. Альтшулера, М., 1977. В. А. Голенищев-Кутузов.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
.
