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.