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, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.