Upload
others
View
7
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Спин-решеточная релаксацияВосстановление продольной намагниченностиСпин-решеточная релаксация.
Магнитный момент или спин.
Кристаллическаярешетка
Энергия переходит в тепловуюа тепловая энергия – это колебаниякристаллической решетки
T1
Релаксация: излучение
1 типСпонтанное излучение
Релаксация: излучение
Теория Эйнштейна
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
TkB
cT β
ωπω
2cth1
32
3
1
hh22
32
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=hgB βπ
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
TkcT β
ωωγ2
cth3
213
32
1
hh
Коэффициент вынужденногоизлучения или поглощения
TT
22
1
~1 ωγ
Релаксация: излучение
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
TkcT β
ωωγ2
cth3
213
32
1
hh
hg Bµγ =
kβ=1.38 10-16 эрг/K
π2h
=h =1.05510-26 эрг с
=2.8 106 Гц/Э
с=3 1010 см/сГц91092 ⋅⋅= πω
T=300 K
T1≈ 1010 c ~ 600 лет!
5 1012 1 10-25 1.3 102
TT
~11
Релаксация: излучение
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
03
32
1 2cth
321
TkcT β
ωωγ hh
Гц610102 ⋅⋅= πω
T0=300 K
γ =3 103 Гц/Э
T1≈ 1022 c
Релаксация: механизм Валлера
321
r~ µµE
r
∆E
Взаимодействие между спинами
Релаксация: механизм Валлера: Прямой процесс
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
0
35
22
1 2cth
v1691
TkH
Ti
β
ωωπργ h
h
222 µαnHi =
iH
323103 −⋅= смn гауссHi 30=
T1≈ 104 c ~ 5 часов!,T1 ~n - зависит от концентрации спинов
TT
~11
0 2 4 6 80.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
f(ωфон
)
hωфон/kβT
Релаксация: двухфонноный механизм. Рамановский процесс.
Релаксация: двухфонноный механизмРамановский процесс.
321
r~ µµE
( ) ( )( )
( )( ) ( )( )[ ]( )tnntnn
tntn
212212130
32211
30
3
coscos3...1r1
coscos1r1
r(t)1
++−++=
=++=
=
εεε
εε
Релаксация: двухфонноный механизмРамановский процесс
( ) dxeexTk
T
mx
x
x
∫ −⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
02
67
6
2
1 1v49~1
h
h β
π
Tkx Дебаяm
β
ωh=
0 2 4 6 80.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
f(ωфон
)
hωфон/kβT
Релаксация: двухфонноный механизмРамановский процесс
7
0123
222
1 v212151
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
h
h TkHT
i β
ρπγ
( ) !610
2
6
=−∫
∞
dxeex
x
x
Низкие температуры
713
1
101 TT
−≈секT 13
1 10≈
T=1K T=40K
секT 501 ≈
Релаксация: двухфонноный механизмРамановский процесс
( )250123
22
1 v160271 TkH
T mi
βωρπ
γ=
( )
5
5
02
6
51
51
1 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛==
−∫ Tkxdx
eex Дебая
m
x
x
xm
β
ωh
Высокие температуры
26
1
101 TT
−=
T=300K
секT 101 ≈
Релаксация: модуляция электрическогокристаллического поля
Взаимодействие между магнитнымимоментами – также определяетоднородную ширину линии ЭПР
Взаимодействие с электрическим полемокружающих ионов – тонкая структураспектров ЭПР.
Релаксация: модуляция электрическогокристаллического поля
∑∑−
==ji ij
j
i rR
eZLqqH
,
221ˆ ∑=
qk
qk
qk OBH
,
ˆ
( )44
04
04 5ˆ OOBH +=
)cos(104
04 tVBB ω+=
Релаксация: модуляция электрическогокристаллического поля
∑∑−
==ji ij
j
i rR
eZLqqH
,
221ˆ ∑=
qk
qk
qk OBH
,
ˆ
( )44
04
04 5ˆ OOBH +=
)cos(: 102
02 tVBO ω=
Релаксация: теорема Крамерса
Нижнее состояние ионов с нечетнымколичеством электронов в отсутствиимагнитного поля всегда минимум двухкратновырождено
Крамерсов ион Некрамерсов ион
H=0 H>0 H=0 H>0
Релаксация: теорема Крамерса, модуляцияэлектрического кристаллического поля
H=0 H>0
H=0 H>0
Релаксация: теорема Крамерса, модуляцияэлектрического кристаллического поля
H=0 H>0
02
02OB
Релаксация: модуляция электрическогокристаллического поля: Прямой процесс
Но эффективнее процесса Валеррав 103-106 раз
TT
~11
Релаксация: модуляция электрическогокристаллического поля: Рамановский процесс
Высокие температуры
Низкие температуры
Крамерсов ионМультиплеты
2
1~1 T
T
5
1~1 T
T9
1~1 T
T
Релаксация: процесс Орбаха-Аминова
H=0 H>0
∆⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ∆
ΒTkT-exp~1
1
Релаксация: процессы
1.Спонтанное излучение2.Механизм Валлера – взаимодействие междуспинами
3.Модуляция электрического кристаллическогополя
4.процесс Орбаха-Аминова
Релаксация:
TT
~11
9
1~1 T
T5
1~1 T
T2
1~1 T
T
7
1~1 T
T2
1~1 T
T
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ∆
ΒTkT-exp~1
1
ПроцессОрбаха-Аминова
Рамановскийпроцесс(Валлер)
Рамановскийпроцесс
(крист. поле)
Прямойпроцесс
Некрамерсов ионКрамерсов ион
Высокиетемпературы
Низкие температуры
Ядерная релаксация:
1) Кристаллическое поле на ядра со спином ½не действуют.
2) Для ядерной подсистемы механизм Валлерадает в 106 раз большие времена, т.е. тоже неработает.
r
Релаксация возможнатолько черезпарамагнитныецентры
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
0
35
22
1 2cth
v1691
TkH
Ti
β
ωωπργ h
h
Ядерная релаксация: Спиновая диффузия
( ) ( ) ( ) 22222
6
22
1 121cossin
291
τωτθθγγ
i
IS SSrT +
+= h
r0
r0 порядка межъядерногорасстояния
Ядерная релаксация: Спиновая диффузия
r0
R
31-
N~R
r0
E=const
Ядерная квадрупольная релаксация:
∑∑−
==ji ij
j
i rR
eZLqqH
,
221ˆ
02
02OB
Температурные наблюдения спектров ЭПР
1. Релаксационные процессы
- Система спинов успеваетотрелаксировать за времянаблюдения (редкие земли прикомнатной температуре)
( )секT 101 101 −≤
ν
- Система спинов сильнонасыщена. (некоторые элементыгруппы железа при T=4.2K)
.11 секT >
Обычные зонды для наблюдения в широком диапазонетемператур ионы Mn2+ и Gd3+
Температурные наблюдения спектров ЭПР
1. Релаксационные процессы
50 100 150 200 250 300
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
T 1-1
T (K)
Температурные наблюдения спектров ЭПР
1. Возбужденные переходы
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−=kTEexpρ
Е
антиферромагнитное спаривание