Магнитная релаксация - процесс установления термодинамич. равновесия в системе магн. моментов вещества. Как правило, Р.
м.- сложный, многоступенчатый процесс; его характеризуют разл. временами релаксации
(см. также Релаксация).
Магн. свойства веществ (за исключением диамагнетиков)обусловлены микроскопич. магн. моментами, к-рые обычно связаны со спином
электронов и ядер и образуют т. н. магн., или спиновую, систему (СС). Энергия
СС складывается из её взаимодействия с внеш. магн. полем H
(зеемановская энергия, см. Зеемана эффект), внутри-кристаллическим полем и между самими микроскопич. моментами (энергия спин-спинового взаимодействия).
Магнитная релаксация, при к-рой полная энергия СС не меняется, а лишь перераспределяется между
степенями свободы магн. моментов, наз. спин-спиновой. Р. м., изменяющая полную
энергию СС, наз. спин-решёточной. Она устанавливает равновесие между СС и термостатом
("решёткой"); последний термин часто не ограничивают случаем решётки
кристалла, а имеют в виду все степени свободы, кроме ориентации спинов (тепловое
движение молекул жидкости, электронов проводимости в металле и пр.).
Парамагнетики. Равновесному состоянию парамагнетика,
находящегося при т-ре Т во внеш. магн. поле Н,
соответствует равновесное значение его намагниченности
М0, направленной, как правило, по H
(см. Парамагнетизм ).Любое изменение величины или направления поля H
приводит к Р. м., в процессе к-рой М стремится к своему
новому равновесному значению. При этом релаксация продольной ()
и поперечной ()
по отношению к H составляющих вектора намагниченности происходит с разной
скоростью. Соответственно различают время продольной релаксации т1
и время поперечной релакса-ц и и т2; как правило,Во
мн. случаях оба вида релаксации можно описать
феноменологич. ур-нием, полученным Ф. Блохом (F. Bloch, 1946):
где g - магпитомеханическое отношение для носителей магнетизма (электронов или ядер); i, j,
k - единичные векторы осей x, у, z; поле H
направлено вдоль осп г. Первое слагаемое в правой части (1) описывает прецессию
вектора М вокруг направления H
с частотой
(см. Лармора прецессия ).Второе и
третье слагаемые соответствуют поперечной релаксации. Её причиной является расфазировка
(нарушение когерентности фаз) прецессии отд. микроскопич. моментов вещества,
приводящая к эспоненц. затуханию
с временем т2. Источником поперечной релаксации могут быть как
спин-спиновые, так и спин-решёточные взаимодействия, в зависимости от того,
какие из них эффективнее. Др. причиной затухания могут быть разл. статические
неоднородности (напр., неоднородности внеш. поля Н), вызывающие
разброс частот прецессии индивидуальных спинов. В этом случае поперечная релаксация
обратима (см. Спиновое эхо ).В электронных парамагнетиках время т2
попадает в диапазон от 10-9 с (неразбавленные парамагн. соли) до
10-5- 10-4 с (диамагн. кристаллы с примесью парамагн.
ионов), для ядерных спиновых систем - от 10-4 с (твёрдые тела) до
секунд (жидкости). В последнем случае замедление релаксации обусловлено усреднением
анизотропных спиновых взаимодействий из-за быстрого теплового движения молекул.
Последнее слагаемое в ур-нии (1) описывает продольную
релаксацию. В достаточно больших магн. нолях она обусловлена спин-решёточным
взаимодействием и ведёт к равновесному распределению спинов по зеема-новским
уровням энергии за время
В малых полях продольная релаксация может быть спин-спиновой, причём
Во мн. случаях описание Р. м. с помощью ур-ния
(1) неадекватно. В частности, в твёрдых непроводящих парамагнетиках (как электронных,
так и ядерных) при
Р. м. протекает сложнее. Она ведёт к установлению
в СС внутр. квазиравновесия, при к-ром зеемановская и спин-спиновая подсистемы
характеризуются собственными спиновыми температурами. Их выравнивание
между собой и с температурой решётки Т происходит на след. этапе, за счёт
спин-решёточного взаимодействия. Дополнит. усложнения Р. м. возникают из-за
мультиплетной структуры ниж. энергетич. уровней парамагн. ионов в кристаллич.
поле, сверхтонкого взаимодействия электронов с ядрами и др.
Конкретные механизмы спин-решёточной релаксации
в парамагнетиках многообразны, однако в любом случае в их основе лежит воздействие
на СС флуктуирующих полей, создаваемых тепловым движением решётки (см. Спин-фононпое
взаимодействие). Частотный спектр спин-решёточного взаимодействия содержит
характерные частоты СС (в частности, w0). В концентрированных
электронных парамагнетиках это обеспечивается модуляцией дипольных и обменных
взаимодействий между магн. ионами тепловыми колебаниями решётки или молекулярным
движением. В твёрдых телах с малой концентрацией парамагн. примесей (ионов переходных
групп, свободных радикалов и т. п.) осн. роль играет модуляция
орбитального движения неспаренных электронов, передающаяся спиновым степеням
свободы через спин-орбитальное взаимодействие .Поэтому наиб. быстрая
спин-решёточная релаксация наблюдается для ионов, в магнетизме к-рых существен
вклад орбитального движения (Fe2+, Сr2+ и др.), а наиб.
медленная- для преим. спинового магнетизма (Мn2+, водородопо-добные
дефекты и др.).
Элементарные процессы спин-решёточной релаксации
могут быть прямыми (с рождением или поглощением одного фонона частоты
w0), комбинационными (двухфононными), а также многоступенчатыми,
с участием ближайших возбуждённых состояний. Прямые процессы преобладают лишь
при низких темп-pax, где обычно
Остальные механизмы, характерные для более
высоких температур, ведут к более сильной (степенной, экспоненциальной) температурной
зависимости
Диапазон значений
в электронных парамагнетиках от 10-9 -10-7 с при комнатной
температуре до 10-3 -1 с при темп-pax жидкого гелия.
Ядерная спин-решёточная релаксация обычно обусловлена
влиянием парамагн. ионов (примесных, если осн. решётка диамагнитна), сверхтонкое
взаимодействие с к-рыми обеспечивает передачу энергии от ядерных спинов к решётке.
В металлах и полупроводниках аналогичную роль посредника играют электроны проводимости.
Прямое воздействие колебаний решётки твёрдого тела бывает существенным лишь
для ядер, обладающих электрическим квадрупольным моментом ядра (см. Ядерный
квадру-польный резонанс). В жидкостях и молекулярных соединениях, где реализуется
быстрое движение молекул или их фрагментов, эффективен механизм модуляции ядерных
диполь-дипольных взаимодействий; этот эффект лежит в основе методов изучения
молекулярной подвижности с помощью Р. м. Типичные значения т1
для ядер от 10-4 с до часов.
Магнитоупорядоченные вещества. Сильное обменное
взаимодействие между электронами в ферро-, ферри- и антиферромагнетиках,
заставляющее их спины поддерживать определ. ориентацию по отношению друг к другу,
приводит к коллективизации процессов Р. м. При этом устанавливается равновесное
распределение энергии между собств. типами коллективных колебаний магн. системы:
однородной прецессией намагниченности, неоднородными типами прецессии, спиновыми
волнами, а также между магн. системой и решёткой.
В простейших случаях магнитная релаксация в ферромагнетике можно описать как затухание прецессии вектора М вокруг
направления эфф. поля:
где HА - поле анизотропии
(см. Магнитная анизотропия ),связанное с осью лёгкого намагничивания.
На практике часто используют феноменологич. уравнение, к-рое можно записать в виде
Второе слагаемое в правой части (2) характеризует
момент "сил трения", эффективность к-рых определяется релаксац.
параметром l. Согласно ур-нию (2), длина вектора М постоянна,
так что процесс сводится лишь к изменению его проекции Мz на направление Нэф. В общем случае Р. м. в магнитоупорядоченных
телах протекает значительно сложнее. Под действием постоянного и переменных
внеш. магн. полей в магн. системе может устанавливаться стационарное неравновесное
состояние - магн. колебания или волны, диссипация к-рых определяется процессами
магнитной релаксации. Причём вклады разл. механизмов зависят от параметров спиновой волны, магн.
анизотропии, температуры и пр. Наиб. полно эти процессы изучены в ферромагн. диэлектриках
(см. Ферриты ).Обычно самым быстрым процессом P.M. при не очень низких
темп-pax оказывается рассеяние элементарных спин-волновых возбуждений (магно-нов)друг на друге за счёт обменного взаимодействия.
На этом этапе Р. м. устанавливает внутр. квазиравновесие
в системе магнонов, однако М и Мz сохраняют нач. значения. Характерное время этого этапа Р. м. имеет порядокгде
ТC - темп-pa Кюри (Кюри точка). Дальнейшая релаксация обусловлена слиянием и расщеплением магнонов за счёт
дипольного взаимодействия, а также их взаимодействием с фононами. При этом сначала
устанавливается равновесное значение М, а затем происходит поворот намагниченности
к направлению Нэф. Последний этап описывается ур-нием (2); типичные
значения l имеют порядок 105 с -1.
На практике значит. вклад в диссипацию магн.
колебаний вносят неоднородности кристалла: нарушение порядка в расположении
магн. ионов в узлах решётки, разориентация осей лёгкого намагничивания, поры,
трещины, шероховатость поверхности и т. д. Неоднородности приводят к дополнит.
рассеянию магнонов - вклад этого механизма может на неск. порядков превосходить
собственную спин-спиновую релаксацию. Значит. влияние на Р.M. оказывают также
электроны проводимости в ферромагн. металлах, а также нек-рые магн. ионы с сильной
спин-орбитальной связью (напр., трёхвалентные лантаниды), выступающие посредниками
между СС и решёткой. В малых магн. полях в Р. м. вносят вклад процессы вязкого
движения доменных стенок (см. Доменной стенки динамика).
Магнитная релаксация в ферримагнетиках и антиферромагнетиках обусловлена в общем теми же механизмами, что и в ферромагнетиках, однако
её проявления осложнены наличием неск. магн. подрешёток. Особый случай представляют
спиновые стёкла, характеризующиеся широким спектром времён Р. м. и длительной
релаксацией метастабильных магн. состояний.
Для них магнитная релаксация обычно не выделяется в самостоят. объект исследования, поскольку подчиняется обычным законам
взаимодействия электронов (связанных или свободных) с магн. полем. Ширина линии
циклотронного резонанса в металлах и полупроводниках определяется длиной
свободного пробега носителей заряда. Исключение составляют аномально сильные
диамагнетики - сверхпроводники, где процессы Р. м. наиб. существенны в смешанном
состоянии сверхпроводников второго рода.
Наиб. широко используются резонансные методы: электронный парамагнитный
резонанс, ядерный магнитный резонанс, ферро-, ферри-, антиферромагнитный
резонансы. Поперечная релаксация обычно проявляется в возрастании ширины DН резонансных линий до величины порядка
а также в затухании сигналов спиновой прецессии и спинового эха. Спин-решёточная
релаксация определяет величину стационарного поглощения энергии резонансного
ВЧ-поля; кроме того, время т1 измеряется по восстановлению равновесной
намагниченности после возбуждения мощным радиоимпульсом. Р. м. проявляется также
в частотной зависимости динамич. магнитной восприимчивости - в частности,
в релак-сац. поглощении энергии на частотах порядка 1/т1 и 1/т2.
Применяются сочетания резонансных и нерезонансных методов, двойные резонансы,
магнитооптич. эффекты и пр. Обширную информацию о Р. м. в магнитоупоря-доченных
веществах даёт избират. возбуждение спиновых волн с помощью ВЧ-накачки,
изучение спиновых нестабильностей, параметрических ВЧ-эффектов и пр.
Изучение магнитной релаксации предоставляет ценную информацию о природе магнетизма в разл. веществах, позволяет исследовать спин-спиновые, спин-фононные и электронно-ядерные взаимодействия, атомно-молекулярную подвижность в конденсиров. средах. Р. м. играет существ. роль в работе устройств магн. памяти и магн. записи (см. Памяти устройства ),во мн. случаях определяя их быстродействие и частотный диапазон; в методах получения сверхнизких температур с помощью адиаба-тич. размагничивания (см. Магнитное охлаждение); в квантовых парамагн. усилителях (мазерах); в эффектах динамич. поляризации ядер (см. Ориентированные ядра, Оверхаузера эффект)и т. д.
В. А. Ацаркин