實(shí)驗(yàn)8鐵磁共振

1、實(shí)驗(yàn)八 鐵磁共振0 前言 鐵磁共振(FMR)是指鐵磁介質(zhì)在恒定外磁場中，對(duì)微波電磁場的共振吸收現(xiàn)象。是鐵磁物質(zhì)中未偶電子，也即是鐵磁物質(zhì)中的電子自旋共振。鐵磁共振不僅在實(shí)驗(yàn)中已可以觀察到，而且在研究鐵磁體的共振吸收和旋磁性的基礎(chǔ)上，人類發(fā)明了鐵氧體的微波線性器件；鐵磁共振也是研究鐵磁體宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的有效手段。1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 初步掌握用微波諧振腔方法觀察鐵磁共振現(xiàn)象。 2掌握鐵磁共振的基本原理和實(shí)驗(yàn)方法。 3測量鐵氧體材料的共振磁場,共振線寬，旋磁比以及因子和弛豫時(shí)間。2 實(shí)驗(yàn)原理 根據(jù)磁學(xué)理論可知，物質(zhì)的鐵磁性主要來源于原子或離子的未滿殼層中存在的非成對(duì)電子自旋磁矩。一塊宏觀的鐵磁體包含

2、有許多磁疇區(qū)域，在每一個(gè)區(qū)域中，自旋磁矩在交換作用的耦合下彼此平行排列，產(chǎn)生自發(fā)磁化，但各個(gè)磁疇之間的取向并不完全一致，只有在外磁場的作用下，鐵磁體內(nèi)部的所有自旋磁矩才保持同一方向，并圍繞著外磁場方向作進(jìn)動(dòng)。當(dāng)鐵磁物質(zhì)同時(shí)受到兩個(gè)相互垂直的磁場即恒磁場和微波磁場的作用后，磁矩的進(jìn)動(dòng)情況將發(fā)生重要的變化。一方面，恒磁場使鐵磁場物質(zhì)被磁化到飽和狀態(tài)，當(dāng)磁矩原來平衡方向與有夾角時(shí)，使磁矩繞它的方向作進(jìn)動(dòng)，頻率為；另一方面，微波磁場強(qiáng)迫進(jìn)動(dòng)的磁矩隨著的作用而改變進(jìn)動(dòng)狀態(tài)，的進(jìn)動(dòng)頻率再不是了，而是以某一頻率繞著恒磁場作進(jìn)動(dòng)，同時(shí)由于進(jìn)動(dòng)過程中，磁矩受到阻尼作用，進(jìn)動(dòng)振幅逐漸衰減，如圖（81）所示，微波磁

3、場對(duì)進(jìn)動(dòng)的磁矩起到不斷的補(bǔ)充能量的作用。當(dāng)維持微波磁場作用時(shí)，且微波頻率=時(shí)，耦合到的能量剛好與進(jìn)動(dòng)時(shí)受到阻尼消耗的能量平衡時(shí)，磁矩就維持穩(wěn)定的進(jìn)動(dòng)，如圖（82）所示。鐵磁共振的原理圖如圖（83）所示。 在恒磁場（即）和微波磁場（即）的作用下，其進(jìn)動(dòng)方程可寫為：= -（×）+ (8-1)上式中為旋磁比，為朗德因子，（即）為恒磁場（即）和微波磁場（即）合成的總磁場，為阻尼力矩，此系統(tǒng)從微波磁場中所吸收的全部能量，恰好補(bǔ)充鐵磁樣品通過某機(jī)制所損耗的能量。阻尼的大小還意味著進(jìn)動(dòng)角度減少的快慢，減少得快，趨于平衡態(tài)的時(shí)間就短，反之亦然。因此這種阻尼可用弛豫時(shí)間來表示，的定義是進(jìn)動(dòng)振幅減小到原

4、來最大振幅的所需要的時(shí)間。 圖（81）進(jìn)動(dòng)振幅逐漸衰減 圖（82）微波磁場作用抵消阻尼，趨于平衡 圖（83） 鐵磁共振原理圖 根據(jù)磁學(xué)理論可知，磁導(dǎo)率與磁化率之間有如下關(guān)系： = 1 + 4 (8-2)在交變磁場作用下，鐵磁物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)磁矩的運(yùn)動(dòng)有阻尼作用，所以磁性材料中的磁場（即）的變化落后于交變磁場的變化，要用復(fù)數(shù)表示：=+i，其中實(shí)部決定磁性材料磁能的貯存，虛部反映交變磁能在磁性材料中的損耗。當(dāng)改變恒磁場（即）或微波頻率時(shí)，我們總能發(fā)現(xiàn)在某一條件下，鐵磁體會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大的磁損耗，即出現(xiàn)最大值，也就是進(jìn)動(dòng)的磁矩會(huì)對(duì)微波能量產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的吸收，以補(bǔ)充由此引起的能量損耗，這就是鐵磁共振現(xiàn)象。

5、2.1 鐵磁共振條件由于鐵磁物質(zhì)的磁化理論很復(fù)雜，因此，我們實(shí)驗(yàn)中采用鐵氧體小球樣品作實(shí)驗(yàn)。其退磁因子各向同性，退磁場作抵消，對(duì)進(jìn)動(dòng)不產(chǎn)生影響。最簡單的情況，小球形樣品滿足磁共振的基本原理公式：(8-3)鑒于鐵磁性反映的是電子自旋磁矩的集體行為，2，為進(jìn)動(dòng)頻率，其頻段估算在微波范圍內(nèi)，因此選擇在此頻段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 2.2 鐵磁共振吸收譜線和線寬磁矩在進(jìn)動(dòng)時(shí)總要受到由磁損耗所表現(xiàn)出來的阻尼作用。實(shí)用上鐵磁諧振損耗并不用來說明，而用鐵磁共振吸收線寬來表示。固定微波頻率不變，鐵氧體在恒磁場和微波磁場的共同作用下，隨的變化曲線稱為鐵磁共振吸收譜線，如圖（84）所示。在共振時(shí)有最大值，令=/2處的磁場分別

6、為和，則=-就是鐵磁共振線寬。一般愈窄，磁損耗愈低。值的大小反映了磁損耗的大小，測量對(duì)于研究鐵磁質(zhì)的機(jī)理和提高微波鐵氧體器件十分重要。圖（84） 鐵磁共振吸收譜線和線寬 圖（85） 曲線在實(shí)驗(yàn)中往往不是直接測量與的關(guān)系來確定值，而是測量微波功率通過諧振腔后的功率變化來確定值的，通過諧振腔后的功率隨的變化見圖（85）所示。圖中是遠(yuǎn)離鐵磁共振區(qū)時(shí)諧振腔的輸出功率，是鐵磁共振時(shí)輸出功率，是半功率點(diǎn)（即相當(dāng)于=/2處的輸出功率）。一般情況下，正確的考慮了頻散效應(yīng)的影響，點(diǎn)由下式確定：=(8-4)根據(jù)（84）式得，可由曲線求出值。3弛豫時(shí)間根據(jù)磁學(xué)理論可知，與之間有如下關(guān)系：=(8-5)4實(shí)驗(yàn)裝置鐵磁共

7、振儀、速調(diào)管、示波器、檢流計(jì)、高斯計(jì)等 圖（86） 鐵磁共振儀實(shí)驗(yàn)裝置5 實(shí)驗(yàn)步驟和內(nèi)容 首先用特斯拉計(jì)測出樣品所在的磁鐵中心磁場和電磁鐵激勵(lì)電流的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)裝置如圖（86）所示，是一種較簡便，應(yīng)用較廣的鐵磁共振實(shí)驗(yàn)裝置。由速調(diào)管產(chǎn)生微波信號(hào)，經(jīng)隔離器和波長表后到達(dá)通過式諧振腔。待測樣品放在腔中微波磁場強(qiáng)度最大（為什么？）處，電磁鐵產(chǎn)生的恒磁場與微波磁場垂直。通過諧振腔輸出的微波信號(hào)經(jīng)晶體檢波器和檢流計(jì)進(jìn)行測量。只要微波二極管遵循平方律檢波關(guān)系，則其檢波電流與微波功率成正比，因此檢流計(jì)檢到的電流（即檢流計(jì)偏轉(zhuǎn)的刻度格數(shù)）就是通過諧振腔后的相對(duì)微波功率。 1實(shí)驗(yàn)前必須熟悉各微波元件的性能及使用方

8、法。注意：傳輸式諧振腔兩端都必須加上帶耦合孔的銅片，接入隔離器時(shí)要注意其方向。 2在插入待測鐵磁體小球到諧振腔之后，調(diào)節(jié)微波信號(hào)頻率，使通過諧振腔后的功率輸出最大，即通過式諧振腔處于諧振狀態(tài)，且在這過程中觀察輸出功率變化。 3調(diào)節(jié)單螺調(diào)配器，使檢流計(jì)G中觀察到輸出最大，然后適當(dāng)選定衰減器位置作為的參考點(diǎn)。 4開啟磁場電源，調(diào)節(jié)磁場電流，進(jìn)行逐點(diǎn)測量和關(guān)系，根據(jù)關(guān)系，畫出關(guān)系曲線求出共振線寬，共振磁場，旋磁比以及因子和弛豫時(shí)間。6 思考題：1 評(píng)述鐵磁共振與微波電子自旋共振、核磁共振之間有什么相同與不同之處？2 測量磁共振線寬要保證哪些條件？它的物理意義是什么？3 本實(shí)驗(yàn)中傳輸式諧振腔為什么取偶數(shù)？4 樣品磁導(dǎo)率的和分別反映什么？