Акустический парамагнитный резонанс

Акустический парамагнитный резонанс ( АПР ) — явление резонансного поглощения звука системой магнитных частиц, помещенных во внешнее магнитное поле . Это происходит, когда энергия кванта звуковой волны становится равной расщеплению энергетических уровней частиц, причем расщепление индуцируется магнитным полем. APR — это разновидность электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), при котором исследуемым образцом поглощаются акустические, а не электромагнитные волны. APR была теоретически предсказана в 1952 году независимо Семеном Альтшулером и Альфредом Кастлером , и был экспериментально обнаружен У. Г. Проктором и У. Х. Танттилой в 1955 году.

История

После открытия ЭПР в 1944 году Евгений Завойский предсказал, что явление резонанса не должно ограничиваться радио- или микроволновым поглощением, а может быть распространено и на звуковые волны. Эта идея была теоретически развита его соавтором Семеном Альтшулером в 1952 году и независимо Альфредом Кастлером; тогда как Альтшулер сообщил о влиянии на спины электронов, Кастлер рассчитал ядерную спиновую систему. О первом экспериментальном обнаружении APR было сообщено в 1955 году с помощью ³⁵ Ядра Cl в монокристаллах хлората натрия . Эта работа по ядерному APR была расширена до электронного APR в 1959 году. Дальнейшие применения APR к ядерной поляризации и акустическим мазерам были позже предложены Кастлером и Чарльзом Таунсом .

Механизм

Эффект АПР очень похож на ЭПР: каждый электрон или ядро, свободное или твердое, имеет магнитный момент и связанный с ним спин . Спин может принимать целые или полуцелые значения, например 1/2, 1, 3/2 и т. д., а соответствующие магнитные компоненты m _s = ±1/2, ±1, ±3/2 и т. д. Здесь уровни для плюсовых и минусовых значений спина вырождены, то есть имеют равные энергии. При приложении внешнего магнитного поля эти спины выстраиваются либо вдоль поля, либо против него; С точки зрения энергетической диаграммы уровни энергии разделяются, как показано на рисунке. Если звуковая волна с определенной квантовой энергией E облучает эту спиновую систему, то при определенном значении магнитного поля, когда E равно магнитному расщеплению ΔE, происходит резонансное поглощение звука, то есть эффект АПР.

Как в ЭПР, так и в АПР поглощенная энергия передается решетке посредством спин-фононной релаксации. Однако если в ЭПР этот процесс имеет второй порядок и, следовательно, включает два фонона, то в АПР релаксация занимает только один фонон и поэтому происходит гораздо быстрее. Это влияет на форму линии резонанса и его температурную зависимость, а также позволяет по-разному исследовать спин-решеточную релаксацию в ЭПР и АПР.

Экспериментальная установка

APR обычно измеряется с использованием метода импульсного эха на высоких звуковых частотах порядка 100 МГц – 100 ГГц. Две противоположные стороны исследуемого кристалла зеркально полируются и делаются параллельными друг другу, к одной стороне прикрепляется пьезоэлектрический кристалл. Он генерирует ультразвуковую волну, которая обнаруживается после многократного отражения между плоскими сторонами, а затухание сигнала служит мерой резонансного поглощения. Кристалл расположен внутри магнита, способного создавать статическое поле, соответствующее приложенной частоте. Для электрона со спином 1/2 и коэффициентом расщепления энергетических уровней (так называемый спектроскопический фактор расщепления g) g = 2 необходимое поле составляет 33–33000 Гаусс для частот 100 МГц – 100 ГГц.