Ферромагнитный резонанс

Ферромагнитный резонанс , или ФМР , — это связь между электромагнитной волной и намагниченностью среды, через которую она проходит. Эта связь приводит к значительной потере мощности волны. Мощность поглощается прецессирующей намагниченностью ( ларморовской прецессией ) материала и теряется в виде тепла. Чтобы такая связь произошла, частота падающей волны должна быть равна частоте прецессии намагниченности (ларморовской частоте), а поляризация волны должна совпадать с ориентацией намагниченности.

Этот эффект можно использовать для различных приложений, таких как спектроскопические методы или концепция микроволновых устройств.

Метод ФМР- используется для исследования намагниченности ферромагнитных спектроскопии материалов. Это стандартный инструмент для исследования спиновых волн и спиновой динамики. ФМР очень похож на электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), а также несколько похож на ядерный магнитный резонанс (ЯМР), за исключением того, что ФМР исследует намагниченность образца, возникающую из магнитных моментов диполярно связанных, но неспаренных электронов , в то время как ЯМР исследует магнитные момент атомных ядер , которые экранируются атомными или молекулярными орбиталями, окружающими такие ядра с ненулевым ядерным спином.

Резонанс ФМР также является основой различных высокочастотных электронных устройств, таких как резонансные изоляторы или циркуляторы .

История

Ферромагнитный резонанс был экспериментально обнаружен В. К. Аркадьевым при наблюдении поглощения СВЧ - излучения ферромагнитными материалами в 1911 году. Качественное объяснение ФМР наряду с объяснением результатов Аркадьева было предложено Я. Г. Дорфман в 1923 году, когда он предположил, что оптические переходы, обусловленные зеемановским расщеплением, могут дать возможность изучить ферромагнитную структуру.

В статье 1935 года, опубликованной Львом Ландау и Евгением Лифшицем, было предсказано существование ферромагнитного резонанса ларморовской прецессии , что было независимо подтверждено в экспериментах Дж. Х. Э. Гриффитса (Великобритания) и Е. К. Завойского (СССР) в 1946 году. ^[1]^[2]^[3]

Описание

ФМР возникает в результате прецессионного движения намагниченности (обычно довольно большой). $\scriptstyle {\vec {M}}$ ферромагнитного материала во внешнем магнитном поле $\scriptstyle {\vec {H}}$ . Магнитное поле оказывает крутящий момент магнитных моментов в образце на намагниченность образца, что приводит к прецессии . Частота прецессии намагниченности зависит от ориентации материала, силы магнитного поля, а также макроскопической намагниченности образца; эффективная частота прецессии ферромагнетика по величине значительно ниже частоты прецессии, наблюдаемой для свободных электронов в ЭПР. Кроме того, на ширину линий пиков поглощения могут сильно влиять как диполярно-сужающие, так и обменно-уширяющие (квантовые) эффекты. Кроме того, не все пики поглощения, наблюдаемые при ФМР, вызваны прецессией магнитных моментов электронов в ферромагнетике. Таким образом, теоретический анализ спектров ФМР гораздо сложнее, чем анализ спектров ЭПР или ЯМР.

Базовой установкой для эксперимента ФМР является микроволновый резонансный резонатор с электромагнитом . Резонансный резонатор фиксируется на частоте сверхвысокочастотного диапазона. Детектор помещается в конце резонатора для обнаружения микроволн. Магнитный образец помещается между полюсами электромагнита, и магнитное поле перемещается, одновременно детектируя интенсивность резонансного поглощения микроволн. При равенстве частоты прецессии намагниченности и частоты резонансного резонатора поглощение резко возрастает, о чем свидетельствует уменьшение интенсивности на детекторе.

Кроме того, резонансное поглощение микроволновой энергии вызывает локальный нагрев ферромагнетика. В образцах с локальными магнитными параметрами, изменяющимися в нанометровом масштабе, этот эффект используется для пространственно-зависимых спектроскопических исследований.

Резонансная частота пленки с параллельно приложенным внешним полем $B$ определяется формулой Киттеля : ^[4]

f={\frac {\gamma }{2\pi }}{\sqrt {B(B+\mu _{0}M)}}

где $M$ – намагниченность ферромагнетика и $\gamma$ это гиромагнитное отношение . ^[5]

См. также

Ссылки

^ Дж. Х. Э. Гриффитс (1946). «Аномальная высокочастотная стойкость ферромагнитных металлов». Природа . 158 (4019): 670–671. Бибкод : 1946Natur.158..670G . дои : 10.1038/158670a0 . S2CID 4143499 .
^ Завойский, Э. (1946). «Спиновый магнитный резонанс в дециметровой области волн». Физический журнал . 10 .
^ Завойский, Э. (1946). «Парамагнитное поглощение в некоторых солях в перпендикулярных магнитных полях». Журнал Экспериментальной и теоретической физики . 16 (7): 603–606.
^ Киттель, Чарльз; (2004). Введение в физику твердого тела (8-е изд.). Уайли. ISBN 047141526X
^ Киттель, Чарльз (15 января 1948 г.). «К теории ферромагнитного резонансного поглощения». Физический обзор . 73 (2): 155–161. Бибкод : 1948PhRv...73..155K . дои : 10.1103/PhysRev.73.155 .

Дальнейшее чтение

Вонсовский, С.В. (2013). Ферромагнитный резонанс: явление резонансного поглощения высокочастотного магнитного поля в ферромагнитных веществах . Эльзевир. ISBN 9781483151489 .
Чикадзуми, Сошин (1997). Физика ферромагнетизма . Кларендон Пресс . ISBN 978-0-19-851776-4 .

Внешние ссылки

Расчет некоторых важных резонансных полей
Метод ферромагнитного резонанса с пространственным разрешением
Ферромагнитный резонанс (ФМР) (Вольфганг Куч, Свободный университет Берлина)

[1] Дж. Х. Э. Гриффитс (1946). «Аномальная высокочастотная стойкость ферромагнитных металлов». Природа . 158 (4019): 670–671. Бибкод : 1946Natur.158..670G . дои : 10.1038/158670a0 . S2CID 4143499 .

[2] Завойский, Э. (1946). «Спиновый магнитный резонанс в дециметровой области волн». Физический журнал . 10 .

[3] Завойский, Э. (1946). «Парамагнитное поглощение в некоторых солях в перпендикулярных магнитных полях». Журнал Экспериментальной и теоретической физики . 16 (7): 603–606.

[4] Киттель, Чарльз; (2004). Введение в физику твердого тела (8-е изд.). Уайли. ISBN 047141526X

[5] Киттель, Чарльз (15 января 1948 г.). «К теории ферромагнитного резонансного поглощения». Физический обзор . 73 (2): 155–161. Бибкод : 1948PhRv...73..155K . дои : 10.1103/PhysRev.73.155 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]