Спиновая диффузия - процесс пространственного выравнивания неоднородной спиновой поляризации в системе локализов. магн. моментов. В отличие от обычной диффузии, связанной с массопереносом, при С. д. распространяется лишь спиновое возбуждение, тогда как сами носители спиновых моментов (парамагн. ионы, радикалы, атомные ядра) не перемещаются.
При помещении парамагн. вещества, содержащего частицы с нескомпенсиров.
спином S, во внеш. магн. поле Н возникает отличная от нуля
спиновая поляризация
, где
-
ср. значение проекции спинов Sz на направление поля (ось Z). В
условиях термодинамич. равновесия при температуре Т0 поляризация
определяется Волъцмана распределением парамагн. частиц по энергетич.
уровням, возникающим вследствие квантования Sz (см. Зеемана
эффект). В простейшем случае S = 1/2 возможны всего две ориентации
спина: вдоль и против поля Н; при этом
, где
- магнитомеханическое отношение .При нарушении равновесия между
спиновой системой и «решёткой» (термостатом) величина Р определяется
спиновой
температурой
. Процессы
С. д. возникают в тех случаях, когда пространственное распределение величины
Р оказывается неоднородным, т. е. grad
.
Передача избытка поляризации между соседними парамагн. частицами происходит
в направлении выравнивания ТS за счёт магн. диполъ-диполъного
взаимодействия или спин-спинового обменного взаимодействия. Элементарный
акт этого процесса состоит в одноврем. изменении ориентации спинов двух
частиц в противоположных направлениях при сохранении их суммарной проекции
Sz и суммарной магн. энергии в поле Н. Такой акт носит резонансный
характер и эффективен лишь при близости частот магн. резонанса взаимодействующих
частиц.
Усреднённое макроскопич. описание этого процесса в ряде простейших случаев приводит к обычному ур-нию диффузии для величины P(r, t), где r - пространственная координата, t - время.
Роль С. д. наиб. существенна в ядерных спиновых системах твёрдых тел,
где она обычно определяется магн. диполь-дипольным взаимодействием между
соседними ядрами. В этом случае коэф. С. д.
, где а - расстояние между ближайшими ядерными спинами. С. д. значительно
ускоряет процессы спин-решёточной релаксации и динамич. поляризации ядер,
обеспечивая перенос неравновесной спиновой поляризации к примесным парамагн.
центрам, осуществляющим передачу энергии ядерных спинов в решётку (см.
Релаксация
магнитная, Оверхаузера эффект).
В магниторазбавленных электронных парамагнетиках С. д. осложнена нерегулярным расположением примесных парамагн. центров и значительным неоднородным уширением линий электронного парамагнитного резонанса. В таких системах С. д. может сопровождаться т. н. спектральной диффузией - распространением спинового возбуждения по спектру магн. резонанса.
Явления, сходные со С. д., характерны также для миграции оптич. возбуждения в люминесцентных средах, в частности в активных материалах лазеров.
Лит.: Хуцишвили Г. Р., Спиновая диффузия, «УФН», 1965, т. 87, с. 211; 1968, т. 96, с. 441; Ацаркин В. А., Динамическая поляризация ядер в твердых диэлектриках, М., 1980; А б р а г а м А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1963; Александров И. В., Теория магнитной релаксации. Релаксация в жидкостях и твердых неметаллических парамагнетиках, М., 1975. В. А. Ацаркип.
С. д. в магнитоупорядоченных веществах, теоретически рассмотренная Л. Ван Ховом (L. Van Hove, 1954) и П. Ж. де Женом (P. G. de Gennes, 1958) и наблюдавшаяся экспериментально с помощью магн. рассеяния нейтронов, является, как и в парамагнетиках, одним из механизмов, определяющих динамику спиновой плотности S(r,t) или намагниченности M(r,t).
В отличие от парамагнетиков, в магнитоупорядоченных веществах значение энергии обменного взаимодействия значительно больше энергии зеемановского взаимодействия. Поэтому неоднородное и неравновесное распределение намагниченности вызывается главным образом не внеш. полем, а коррелированными спиновыми флуктуациями.
Ниже критич. температуры Тс (напр., Кюри точка для ферромагнетика или Нееля точки для антиферромагнетика) динамика намагниченности носит преимущественно не диффузионный, а волновой характер (см. Спиновые волны ).Однако в условиях сильного затухания и малого времени жизни магнонов (Т близко к Тс)волновая динамика намагниченности сменяется диффузионной, что проявляется, в частности, в виде т. н. центрального (квазиупругого) пика в сечении критич. магн. рассеяния нейтронов. Выше критич. температуры Тс С. д. становится основным механизмом пространственного выравнивания неоднородной намагниченности. Особенности С. д. в парамагнитной области (Т > Тс)магнитоупорядоченных веществ по сравнению со С. д. в обычных парамагнетиках проявляется в критическом замедлении (аномальное возрастание вблизи Тсвремён магнитной релаксации). Аналогичными свойствами обладают и др. кинетич. и резонансные характеристики (напр., затухание ультразвука в магнетиках, ширина линии ЭПР и др.).
Ю. Г. Рудой
|
![]() |