АКУСТИЧЕСКИЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

АКУСТИЧЕСКИЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

       

электронный (АПР), избирательное поглощение энергии упругих волн (фононов) определ. частоты в парамагн. кристаллах, помещённых в пост. магн. поле. АПР тесно связан с обычным электронным парамагнитным резонансом (ЭПР). Пepeдача акустич. энергии парамагн. ч-цам при АПР происходит посредством спин-фононного взаимодействия, к-рое осуществляется путём модуляции акустич. колебаниями внутрикристаллических полей (электрич. или магнитных). Возбуждение в парамагн. кристалле, помещённом во внешнее магн. поле акустич. колебаний с частотой v, удовлетворяющей условию ?2 -?1=hv, вызывает квант. переходы эл-нов между магн. подуровнями ?2 и ?1. Переход ?1®?2 (?1

При АПР могут наблюдаться переходы, удовлетворяющие правилу отбора, при к-ром магн. квантовое число m=±1, ±2, в то время как в обычном ЭПР разрешены переходы только с m=±1. АПР наблюдаются в области гиперзвук. частот 109—1011 Гц (см. ГИПЕРЗВУК). В реальных кристаллах излучение или поглощение фононов происходит в конечной полосе частот, поэтому наблюдается резонансная линия с характерной для неё шириной и формой, к-рая зависит как от природы парамагн. иона, так и от хар-ра внутрикрист. полей и может существенно отличаться от ширины и формы линии ЭПР.

Экспериментально АПР можно наблюдать методом акустич. насыщения линий ЭПР и методом дополнит. затухания звука. В первом случае возбуждение в исследуемом кристалле акустич. колебаний с той же частотой, на к-рой наблюдается ЭПР, приводит к уменьшению сигнала ЭПР, т. е. к насыщению резонансной линии; во втором — меняют напряжённость магн. поля, и при его значении, соответствующем резонансному, измеряют дополнит. поглощение звука.

Тепловое движение атомов, дефекты крист. структуры и ряд др. факторов по-разному влияют на форму линий АПР и ЭПР, поэтому из спектров АПР можно получить дополнит. информацию о симметрии локального внутрикрист. поля парамагн. кристалла, оценить влияние нарушения симметрии крист. поля в результате наличия дислокаций и случайных деформаций решётки, непосредственно измерить параметры спин-фононного вз-ствия. АПР используется также для исследования металлов и ПП, в к-рых применение метода ЭПР затруднено из-за скин-эффекта.

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

АКУСТИЧЕСКИЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

(АПР) - поглощение энергии акустич. волн определ. частоты (избират. поглощение фононов )системой электронных спинов парамагнетика, к-рое возникает при совпадении частоты акустич. волны (энергии фонона) с интервалом между энергетич. уровнями парамагнитного иона в приложенном магн. поле.

Схема течения, вызванного ограниченным пучком звука: 1 - излучатель; 2 - поглотитель звука; 3 - звуковой пучок.

Предсказан С. А. Альтшулером (1952). АПР можно рассматривать как акустич. аналог электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Передача энергии эл.-магн. колебаний парамагнитным частицам при ЭПР происходит непосредственно, в то время как передача акустич. энергии при АПР происходит посредством спин-фононного взаимодействия.

Известно неск. механизмов спин-фононного взаимодействия. В парамагнетиках наиб. существен механизм, при к-ром акустич. волна гиперзвуковой частоты модулирует внутрикристаллическое поле, а появляющееся при этом эл.-магн. поле той же частоты взаимодействует со спином. Поглощение энергии гиперзвуковой волны (фононов) возникает при совпадении частоты поля с разностью выраженных в частотах энергетич. уровней спина в приложенном магн. поле. Др. возможные механизмы спин-фононного взаимодействия - акустич. модуляция магн. диполь-дипольного (или обменного) взаимодействия между электронными спинами; модуляция тонкого или сверхтонкого взаимодействия электронных и ядерных спинов.

АПР наблюдается по изменению поглощения акустич. волны данной частоты в образце парамагнетика в зависимости от напряжённости приложенного магн. поля. Дополнит. поглощение звука характеризуется коэф.:

,

где W - вероятность перехода между спиновыми уровнями п и т под действием гиперзвука с частотой , - разность населённостей спиновых уровней, - скорость распространения акустич. волны, V - объём образца, - его плотность. Получение значений и его зависимости от взаимной ориентации кристаллографич. осей образца и направлений магн. поля и волнового вектора УЗ-волны - цель измерений при исследованиях АПР.

Измерения поглощения звука обычно выполняются эхо-импульсным методом на частотах ~ 10¹⁰ Гц. Для уменьшения основного решёточного поглощения звука, маскирующего эффект АПР, измерения проводят при гелиевых темп-pax, Акустич. импульсы излучаются и принимаются пьезоэлектрич. плёночными преобразователями 2 (рис.), нанесёнными на противоположные плоскопараллельные торцы образца 3. Возбуждённые СВЧ-генератором 1 акустич. импульсы распространяются через образец, многократно отражаясь от его торцов. Серия эхо-сигналов поступает в приёмник 4, где и регистрируется. Для наблюдения АПР на частотах 10¹¹-10¹² Гц используются методы излучения и приёма упругих колебаний с помощью сверхпроводящих плёнок, нанесённых на торцы исследуемого образца. В таких устройствах электроны сверхпроводника переводятся в возбуждённое состояние за счёт электрич. или лазерного нагрева. Рекомбинация возбуждённого состояния сопровождается излучением монохроматич. фононов с частотой, определяемой шириной сверхпроводящей щели.

С помощью АПР определяют энергетич. спектры парамагнитных ионов, исследуют механизмы спин-фононного взаимодействия, изучают динамику электронно-ядерных взаимодействий и нелинейных процессов.

Как спектроскопич. метод АПР существенно дополняет и расширяет возможности ЭПР, поскольку при акустич. резонансе разрешены практически все переходы между энергетич. уровнями спинов, а в ЭПР - только магн. дипольные переходы.

Блок-схема спектрометра для изучения акустического парамагнитного резонанса.

Наиболее важно изучение с помощью АПР энергетич. спектров ионов с чётным числом электронов (Cr²⁺ , Fe²⁺ и др.), для к-рых характер спектра определяется Яна - Теллера эффектом. Использование акустич. фононов с частотами 10¹² Гц позволило определить особенности энергетич. спектров ионов с большим нач. расщеплением уровней во внутрикристаллич. поле. Исследовано большое число парамагнитных ионов, содержащихся в диамагнетиках, полупроводниках и магне-тиках, имеющих синглетное, дублетное и триплетное орбитальные состояния.

С помощью АПР проведены прямые измерения компонент тензора электронного спин-фононного взаимодействия, тогда как с помощью ЭПР определяют только интегральные кинетич. характеристики спин-решёточного взаимодействия. Информацию об искажении симметрии локального внутрикристаллич. поля парамагнетика в результате наличия дислокаций, примесных центров и др. дефектов структуры даёт изучение формы линий АПР. На этом основан метод контроля качества кристаллов. Одноврем. возбуждение системы ядерных и электронных спинов акустич. и эл.-магн. полями создаёт дополнит. возможность исследования особенностей электронноядерных взаимодействий.

Развитие исследований по АПР и спиновой динамике привело к созданию квантовых усилителей и генераторов УЗ. Поскольку коэф. (N_n-N_m), то при создании инверсии населённости спиновых уровней он становится отрицательным. Благодаря этому в условиях инвертирования при достаточно сильной спинфононной связи происходит усиление акустич. волн на частоте АПР.

Если усиление превосходит затухание упругих волн в кристалле, наступает самовозбуждение системы, сопровождающееся генерацией когерентных фононов. Увеличение мощности распространяющихся через образец акустич. импульсов в условиях АПР позволило обнаружить ряд новых явлений, имеющих место в когерентной оптике,- ультразвуковые спиновое эхо и самоиндуцированную прозрачность. Значительно большее время прохождения акустич. импульса через среду по сравнению с оптич. импульсом даёт возможность получить в этих случаях более точную информацию о механизмах взаимодействия волн разл. природы со средой. При исследовании АПР в кристаллах с параэлектрич. центрами обнаружено взаимодействие гиперзвука с параэлектрич. центрами - модуляция диполь-дипольных связей.

Лит.: Альтшулер С. А., Козырев Б. М., Электронный парамагнитный резонанс соединений элементов промежуточных групп, 2 изд., М., 1972; Такер Дж., Рэмптон В., Гиперзвук в физике твердого тела, пер. с англ., М., 1975; Физика фононов больших энергий, пер. с англ., М., 1976; Магнитная квантовая акустика, М., 1977; Копвиллем У. X., Сабурова Р. В., Параэлектрический резонанс, М., 1982. В. А. Голенищев-Кутузов.

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