Магнитный момент ферромагнетика можно искусственно заста­вить вращаться, поместив ферромагнетик во вращающееся маг­нитное поле. Если частота вращения магнитного поля отличается от собственной частоты вращения магнитного момента, магнитное ноле будет то ускорять магнитный момент, то тормозить («забирать» у него энергию). В среднем магнитный момент вовсе не воспримет энергии вращающегося магнитного поля. И эксперимент, поставлен­ный так, чтобы измерить поглощенную ферромагнетиком энергию переменного магнитного поля, ничего не покажет.

По если частота переменного вращающегося магнитного поля совпадет с собственной частотой вращения магнитного момента, то наступает резонанс и энергия магнитного поля поглощается. Обыч­но эксперимент ставят так: помещают ферромагнитный образец в резонатор, в котором имеется переменное электромагнитное поле определенной частоты. Весь прибор (резонатор с ферромагнитным' образцом в нем) помещают во внешнее постоянное магнитное поле. Повторяя эксперимент, изменяют величину внешнего постоянного магнитного поля Я, при этом меняется частота вращения магнит­ного момента (см. формулу 7). При некотором значении Я = Ярез резко возрастает количество поглощаемой в резонаторе энергии Я/7, что и свидетельствует о резонансе (рис. 4.8).

Этот резонанс называют ферромагнитным. Ферромагнитный ре­зонанс был открыт Дж. Гриффитсом (1946 г.).

Порядки величии таковы: магнитному полю Я в 10 ООО гс по формуле gH= со соответствует частота со « 1011 1 [сек или длина волны К ^ 6 мм%.

 

Рис. 4.8. При определенном (резонансном) значении магнитного поля И = /Урез резко возрастает поглоще¬ние электромагнитной энергии ферромагнетиком. Это — ферромагнитный резонанс. Еп поглощенная энергия.

Рис. 4.9. Точка пересечения определяет резонансное значение импульса р и энергии е фотона и магнона. Резонансный импульс очень мал. Размытие показывает, что энергия магнона имеет некоторую неопределенность, обусловленную конечным временем его жизни.

Ферромагнитный резонанс допускает квантовомеханическую трактовку. Как известно, электромагнитную волну определенной частоты при квантовом подходе надо рассматривать как частицу

(фотон), импульс которой равен р =          , а энергия равна ftco

с

(со — частота электромагнитной волны). Тогда поглощение электро­магнитной энергии ферромагнетиком следует трактовать как пре­вращение фотона в магнон. Превращение, как всякий физический процесс, может произойти, если выполнены законы сохранения энергии и импульса. Их выполнение легко проанализировать по рисунку 4.9, на котором показаны зависимости энергии фотона и магнона от импульса. Зависимость энергии е (р) магнона от им­пульса р дана формулой (10). Кривые пересекаются при таком зна­чении импульса, когда возможно резонансное превращение фотона в магнон. Надо только учесть, что нам пришлось несколько иска­зить рисунок. Скорость света так велика, что прямая, изображаю­щая зависимость энергии фотона от импульса, должна практически совпадать с осью ординат. А это значит: при превращении фотона в магнон «рождается» магнон с почти нулевым импульсом. Ферро­магнитный резонанс дает возможность непосредственно измерить энергию покоя магнона — «взвесить» покоящийся магнон.

Мы несколько упростили рассказ. Поглощенная ферромагне­тиком энергия отлична от нуля не только, когда частота фотона совпадает с частотой однородной прецессии, но и вблизи резонан­сного значения магнитного поля (рис. 4.8). Причина этого состоит в следующем. Вращение магнитного момента не может продолжать­ся бесконечно (на квантовом языке: магнон не живет вечно). Всегда есть процессы, приводящие к замедлению вращения магнитного мо­мента. Время замедления т, как правило, значительно больше пе­риода- вращения магнитного момента, равного 2зт/со0; c«v—частота однородной прецессии (щ = е0/Й).

 


р  =        До) =      2лс,  отсюда р=            —.

а                                      с

 

 

Один из основных принципов квантовой механики — принцип неопределенности. Обычно упоминаемая в школьном курсе физики формулировка этого принципа состоит в том, что скорость (импульс) частицы и ее координата не могут одновременно (в одном состоянии) иметь определенные значения. Из этого делается вывод, что атом­ные частицы не движутся по определенным траекториям.

 

Нам здесь следует обратиться к несколько иной форме прин­ципа неопределенности. Частица (любая атомная система) может иметь определенную энергию только, если рассматриваемое состоя­ние живет вечно. Если же речь идет о состоянии, которое живет время т, то энергия этого состояния может быть определена с точ­ностью, не превышающей значение ft/т. В нашем случае это означа­ет, что энергия магнона определена с точностью, не большей Й/т, и на рисунке 4.9 надо изобразить не линию, а полоску шириной Й/т. Неопределенность энергии магнона приводит к возможности пре­вращения «фотон— магнон» в некотором интервале значений маг­нитного поля. И другой вывод: исследуя кривую поглощения (фор­му резонансной кривой, рис. 4.8), можно узнать о процессах, огра­ничивающих время жизни магнона. Это очень интересно, так как позволяет изучить взаимодействие магнона с магнонами и с квази­частицами другой природы.

 

Ферромагнитный резонанс — метод определения энергии покоя магнона. А можно ли непосредственно исследовать свойства от­дельного подвижного магнона (подчеркиваем, что речь идет об изу­чении отдельного магнона)? Коллектив магнонов доступен экспери­ментальному изучению (об этом уже говорилось), однако выводы убедительней, сведений больше, если удается «изолировать» объект исследования и иметь дело с одним «подопытным». Природа предо­ставила нам такие возможности.

 

Длина волны света очень велика по атомным масштабам. Поэто­му при ферромагнитном резонансе возбуждается бесконечно длин­ная спиновая волна (точнее, такая длинная, что мы можем считать ее бесконечной). А нельзя ли сжать электромагнитную волну, уко­ротить ее? В оптически плотной среде с показателем преломления п длина волны света в п раз меньше, чем в вакууме. Но показатель преломления я, в лучшем случае, равен нескольким единицам. По­этому надеяться на значительное сжатие за счет показателя прелом­ления не приходится. Исключение составляют металлы. В металлы электромагнитные полны вообще почти не проникают, а та незначи­тельная часть, которая проникает, затухает на очень малом рас­стоянии. Это расстояние в диапазоне длин волн, приблизительно рав­ных одному сантиметру, составляет около 10~б см, т, е. электромаг­нитное поле в металле существенно изменяется на расстояниях, в сто тысяч раз меньших, чем его длина волны в вакууме.

 

Затухающее электромагнитное поле можно представить в виде суммы (суперпозиции) плоских волн и убедиться, что главный вклад в эту сумму дают волны с длиной, приблизительно равной 10~5 см, в то время как на поверхность металла падает волна длиной « 1 см. Другими словами, металл совершает огромное сжатие электромаг­нитных волн, правда, несколько «размывая» их: вместо одной плос­кой волны возникает пакет — совокупность волн, сумма (супер­позиция) которых создает затухающее в глубину металла поле.

 

Сжатие электромагнитной волны металлом используется для изучения подвижных магнонов. Для этого надо измерить зависи­мость коэффициента отражения электромагнитной волны поверхно­стью ферромагнитного металла от частоты и от внешнего постоян­ного магнитного поля. Конечно, измерения следует проводить в условиях, близких к условию ферромагнитного резонанса.

 

Естественная возможность исследования спиновых волн конеч­ной длины связана с резонансным возбуждением стоячих спиновых волн в ферромагнитной пластине. Действительно, из-за того что спиновая волна отражается границами пластины, в пластине обра­зуются стоячие спиновые волны. На толщине пластины должно укла­дываться целое число полуволн. А это означает, что в пластине мо­гут возбуждаться спиновые волны с вполне определенными часто­тами (их можно найти, если в формулу (9) вместо X подставить 2d/n, где d— толщина пластины, а п — целые числа; напомним, что частота равна энергии магнона, деленной на постоянную План­ка й; со = е/Л). Возбуждение стоячих спиновых воли устанавливает связь между частотой спиновой волны и ее длиной, т. е. определяет закон дисперсии спиновых волн.

 

Исследование высокочастотных свойств пластин (тонких пленок) постепенно становится важным средством изучения динамики маг­нонов.

 

Однако с помощью описанных методов нельзя -(или необычайно трудно) исследовать спиновые волны, длина которых порядка меж­атомных расстояний, или, на корпускулярном языке, магноны с большими импульсами. «Подобраться» к магнонам с большими им­пульсами помогают всепроникающие нейтроны. Прохождение ней­трона через магнитный кристалл сопровождается своеобразным ре­зонансным эффектом— рождением магнона[1]. Расскажем о нем не­сколько подробнее. Нейтрон, пролетая через магнитный кристалл, взаимодействует с магнитными моментами атомов (ведь он сам обла­дает магнитным моментом!) и заставляет их двигаться — вращаться (переворачиваться). Или, другими словами, нейтрон возбуждает спиновые волны. Корпускулярные свойства волны (в данном случае спиновой) проявляются в том, что энергия волны может быть hw, 2/гсо и т.д., а импульс: 2яА/Х, 4л/tikи т. д. (со и Я—частота и длина спиновой волны). «На языке магнонов» это звучит так: рождается один магнон с энергией в = Асо и импульсом р = 2 л АД, два магнона... и т. д. Расчет показывает, что рождение одного магно­на значительно более вероятно, чем двух или большего числа.

 

Акт рождения магнона, как и любой процесс в природе, ; подвлас­тен законам сохранения энергии и импульса, которые в данном случае приобретают такой вид:

 

р2 — Pi= q, е2 —  = ft<o,                      (12)

 

где q— единичный вектор в направлении распространения спино­вой волны, Асо — энергия магнона, а рг — рх и е2 — ех — измене­ния импульса и энергии нейтрона. Для определения рг — piи в2— ег достаточно измерить скорость нейтрона, летящего в данном направлении (если известны скорость и направление полета ней­трона до рассеяния, т. е. р1 и еД В этом заключается эксперимент.

Таким образом, измеряя р2— Р\ и е2— ех и используя законы

сохранения энергии и импульса, можно непосредственно измерить закон дисперсии магнонов — зависимость его энергии от импульса. Этот метод получил в последние годы широкое распространение, так как у экспериментаторов, благодаря развитию ядерной техники, появились в распоряжении мощные пучки нейтронов, а развитие электронно-вычислительных машин дало возможность механизи­ровать обработку результатов подобных (очень трудоемких) опы­тов. Рассеяние нейтронов — основной поставщик сведений о маг- нонах, импульс которых сравнительно велик.

Однородное вращение магнитных моментов, как мы знаем, воз­можно не только в ферромагнетиках, но и в антиферромагнетиках. Это означает, что резонансное поглощение энергии переменного маг­нитного поля возможно не только в ферромагнетиках, о которых речь шла в этом разделе, но и в антиферромагнетиках. Особенно убедительно это утверждение звучит, если сформулировать его на квантовом языке: фотон при взаимодействии с антиферромагнети- ком превращается в магнон.

Антиферромагнитиый резонанс впервые наблюдался группой голландских физиков в 1951 г. и после этого стал одним из распро­страненных методов исследования антиферромагнетиков. Суще­ственное развитие он получил в работах советского академика А. С. Боровика-Романова и его учеников.

Физическая природа антиферромагнитного резонанса, по суще­ству, не отличается от природы ферромагнитного резонанса. Поэ­тому нет необходимости повторять сказанное в этом разделе. Ин­тересно, однако, подчеркнуть различия, обусловленные антифер- ромагнитным упорядочением магнитных моментов.

 

Во-первых, спектр антиферромагнетика сложнее, чем спектр ферромагнетика. Во-вторых, у большинства антиферромагнетиков энергия покоящегося магнона значительно больше энергии покоя­щегося магнона ферромагнетика (частота сол очень большая, см. формулу 11). Для антиферромагнетиков резонанс находится в недоступной или труднодоступной области частот, поэтому надо использовать огромные магнитные поля, так как, согласно формуле (11), одна из частот неоднородного вращения уменьшается с ростом внешнего магнитного поля.

 

 

|
Template Settings
Select color sample for all parameters
Red Green Blue Gray
Background Color
Text Color
Google Font
Body Font-size
Body Font-family
Scroll to top