Акустический парамагнитный резонанс. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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 температуpax, 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.

Литература по акустическому парамагнитному резонансу

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.