铁磁共振实验

铁磁共振 铁磁共振(FMR)观察的对象是铁磁物质中未偶电子，因此可以说它是铁磁物质中的电子自旋共振。 1 实验目的 使用微波谐振腔方法，通过观测铁磁共振测定共振线宽 、旋磁比 、 因子和驰豫时间 等有关物理量，认识磁共振的一般特性。 2 实验原理 一、铁磁质磁化原理 凡是能与磁场发生相互作用的物质叫磁介质。磁介质放入磁场中，磁介质将发生磁化，产生附加磁场，产生磁性。 磁介质一般分为顺磁介质、抗磁介质和铁磁介质。 ① 顺磁介质中产生的附加磁场 与外场 方向相同，磁介质中的场 要比外场 大， ； ② 抗磁介质中产生的附加磁场 与外场 方向相反，磁介质中的场 要比外场 小， ； ③ 铁磁介质中产生的附加磁场 与外场 方向相同，但磁介质中的场 要远比外场 大，是外场的几百倍到几万倍， 。磁导率 很高是铁磁质的最主要特性。 原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩。整个分子磁矩是其中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩以及核的自旋磁矩的矢量和（核的自旋磁矩常可忽略）。从原子结构来看，铁磁质的最外层电子，会因电子自旋而产生强耦合的相互作用。这一相互作用的结果使得许多铁磁质原子的电子自旋磁矩在许多小的区域内整齐地排列起来，形成一个个微小的自发磁化区，称为磁畴。在无外磁场时，各磁畴的排列是不的，各磁畴的磁化方向不同，产生的磁效应相互抵消，整个铁磁质不呈现磁性。把铁磁质放入外磁场 中，铁磁质中磁化方向与外磁场方向接近的磁畴体积扩大，而磁化方向与外磁场方向相反的磁畴体积缩小，以至消失（当外磁场足够强时），出现磁畴转向。 二、铁磁共振现象 在恒磁场中，磁导率可用简单的实数来示 （1） （ 是磁化率），但当铁磁物质在稳恒磁场 和交变磁场 的同时作用下时，由于铁磁质内部结构对磁矩 进动的阻抑作用，铁磁质中的磁感性强度 要落后于交变场 ，两者存在相差，其磁导率 就要用复数来表示 (2) 实部 为铁磁性物质在恒定磁场 中的磁导率，它决定磁性材料中贮存的磁能，虚部 则反映交变磁能在磁性材料中的损耗。当交变磁场 频率固定不变时， ， 随B变化的实验曲线如图l 6.21所示，其中 曲线称为色散曲线或频散曲线； 曲线称为吸收曲线。在 与 满足 (3) 处， 达到最大值，这种现象称为铁磁共振，其中 个为朗德因子， 为真空磁导率， 为电子电量， 为电子质量。通常将 称为共振磁场值，而 两点对应的磁场间隔 ，称为共振线宽， 是描述铁氧体材料性能的一个重要参量，它的大小标志着磁损耗的大小，是铁氧体内部能量转换微观机制的测量 对于研究铁磁共振的机理和提高微波器件性能是十分重要的。 三、铁磁共振的理论解释 为什么会发生铁磁共振现象呢? 从宏观唯象理论来看，铁磁体的磁矩 在外加恒磁场 的作用下绕着 进动，进动频率 ， 为回磁比。由于铁磁体内部存在阻尼作用， 的进动角会逐渐减小，结果 逐渐趋于平衡方向( 的方向)。当外加微波磁场 的角频率与 的进动频率相等时， 吸收外界微波能量，用以克服阻尼并维持进动，这就发生共振吸收现象。 从量子力学观点来看，在恒磁场 作用下，原子能级分裂成等间隔的几条，当微波电磁场的量子 刚好等于两个相邻塞曼能级问的能量差时，就发生共振现象。这个条件是 （4） 吸收过程中发生选择定则 的能级跃迁，这时上式变成 ，与经典结果一致。 当磁场改变时， 趋于平衡态的过程称为驰豫过程。 在趋于平衡态过程中与平衡态的偏差量减小到初始值的 时所经历的时间称为驰豫时间。 在外磁场方向上的分量趋于平衡值所需的特征时间称为纵向驰豫时间 。 在垂直于外加磁场方向上的分量趋于平衡值的特征时间称为横向驰豫时间 。在一般情况下， ， 。为了方便，把 统称为驰豫时间 ，则有 (5) 二、传输式谐振腔 观察铁磁共振通常采用传输式谐振腔法。其原理如图16．22所示。传输式谐振腔是一 个封闭的金属导体空腔，由一段矩形波导管，在其两端加上带有耦合孔的金属板，就可构成一个传输式谐振腔。 1．谐振条件：谐振腔发生谐振时，腔长必须是半个波导波长的整数倍。 2．谐振腔的有载品质因数 由下式确定： （6） 式中： 为腔的谐振频率， ， 分别为半功率点频率。 当把样品放在腔内微波磁场最强处时，会引起谐振腔的谐振频率和品质因数的变化。如果样品很小，可看成一个微扰，即放进样品后所引起谐振频率的相对变化很小，并且除了样品所在的地方以外，腔内其他地方的电磁场保持不变，这时就可以就用谐振腔的微扰理论：当固定输入谐振腔的微波频率和功率，改变磁场B，则 与腔体输出功率 之间存在着一定的对应关系。图16.23是 随 变化的关系曲线，图中 为远离铁磁共振区域时谐振腔的输出功率， 为共振时的输出功率，与 对应， 为半共振点，与 对应。在铁磁共振区域，由于样品的铁磁共振损耗，使输出功率降低。 由 和 决定，且 (7) 因此在铁磁共振实验中，可以将测量 -B曲线求 的问转化为测量P-B曲线来求。 应该指出的是：实验时由于样品 的变化会使谐振腔的谐振频率发生偏移(频散效应)，为了得到准确的共振曲线和线宽，在逐点测绘铁磁共振曲线时，对于每一个恒磁场 ，都要稍微改变谐振腔的谐振频率，使它与输入谐振腔的微波频率调谐。这在实验中难以做到，通常是在考虑到样品谐振腔的频散效应后，对式(16．27)进行修正，修正公式为 （8） 3 实验装置 用传输式谐振腔观测铁磁共振的实验线路如图16.24所示。传输式谐振腔采用TE10P 型矩型谐振腔(一般取P=偶数)，样品是多晶铁氧体小球，直径约1mm。 晶体检波接头最好是满足平方律检波的，这时检波电流表示相对功率(I与P成正比)。 检流计G用来测量传输式谐振腔的输出功率，量程0～200~A。 微波的频率用直读频率计测量。 用晶体检波器测量微波时，为获得最高的检波效率，它都装有可调短路活塞，调节其位置，可使检波管处于微波的波腹。改变微波频率时，也应改变晶体检波器短路活塞位置，使检波管一直处于微波波腹的位置。 电磁铁由磁共振实验仪控制，提供0～5000Gs的磁场，极头直径一般不小于3cm即可。磁铁的磁场强度与线圈电流的关系由学生用特斯拉计测出。 4 实验内容 1．按图接好各部件。注意：传输式谐振腔两端都必须加上带耦合孔的铜片，接入隔离器时要注意其方向。 2．开启微波源，选择“等幅”方式，预热30分钟。 3．测量谐振腔的长度，根据公式计算它的谐振频率。 4．将检波晶体的输出接到电流表上，用电流表测量微波的大小，调节微波频率，使谐振腔共振，用直读频率计测量共振频率f0． 5．断开扫场，逐点测绘P-B曲线。 6．考虑频散效应，计算P1/2，并得到相应的 值。 7．计算g因子，回磁比 、驰豫时间。