Магнитная релаксация. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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 H_А - 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 М_z на направление Н_эф. 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 М_z сохраняют нач. значения. Характерное время этого этапа Р. м. имеет порядок

где Т_C - 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 Н_эф. 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.

Диамагнетики

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.

Методы исследования магнитной релаксации

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.

Литература по магнитной релаксации

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.