旋磁性和鐵磁共振現(xiàn)象PPT學(xué)習教案

1、會計學(xué)1 旋磁性和鐵磁共振現(xiàn)象旋磁性和鐵磁共振現(xiàn)象 (下面 MMS，H 都是矢量） 在第二章關(guān)于抗磁性的討論中，我們曾給出原子磁距在外磁場中 的運動方程： 是原子磁距，是旋磁比，g 是朗德因子。 0 d , d2 e e Hg tm 推廣到大塊物質(zhì)上，則是 ： d d M MH t 由此方程可以看出，當磁距不在磁場方向時 ，將環(huán)繞磁場做進動，永遠不會轉(zhuǎn)向磁場方 向，顯然這與事實不符，必須考慮阻尼項阻尼項的 影響。阻尼的存在使進動能量逐漸消耗，進 動角減小直至磁距和磁場平行為止。因此， 進動方程的完整表示應(yīng)為： d d D M MHT t 進動方向 第1頁/共30頁 第2頁/共30頁 阻尼的來源

2、是復(fù)雜的，人們唯像地提出了三種表達方式： 2 1 , , 2 ()() d d () () D D z Dz x y Dx y TMMHMMH MM M TM Mt MM T M T 朗道栗弗席茲形式 吉爾伯特形式 布洛赫形式 0 1 D TMH 或： 三種形式對阻尼的表述是不同的，但作用是一致的三種形式對阻尼的表述是不同的，但作用是一致的，處理 磁共振問題時可以根據(jù)情況選擇使用，當進動角很小，損耗也 很小時，可以證明它們系數(shù)之間的關(guān)系是： 0 M 第3頁/共30頁 上述方程中的磁場應(yīng)該指鐵磁體內(nèi)的有效磁場：上述方程中的磁場應(yīng)該指鐵磁體內(nèi)的有效磁場： effkdex HHHHHH 為了集中闡明

3、鐵磁體在恒磁場和交變場同時作用時的基本性質(zhì)，我們 首先排除恒磁場之外的其它影響，提出如上假定。 1. 無阻尼時的自由進動頻率無阻尼時的自由進動頻率：只存在恒磁場情況 () 00 xyz z ijk dM MHmmM dt H 2 2 2222 22 d d , dd y x zxzy m m H mH m tt 因為有： 這是一個典型的簡諧振動方程，其解可以表示為： 00 , , i ti t xxyyz mm emm eMC 恒定值 第4頁/共30頁 代入方程中有： 0 0 xzy zxy i mH m H mi m 有解條件是其系數(shù)行列式為零，即： 0z H 這就是自由進動頻率。這就是自由

4、進動頻率。代入方程可以證明： , xyyx mimmim 顯然進動是右旋的顯然進動是右旋的。 0 0 22 z fH 進動頻率 對自旋系統(tǒng)，g2，有： 621 0z (10 H )3.52 10(A m )2.80(Oe) zz fHH 6 0 5000Oe =14000 10 Hz H f 交變磁場在微波頻段交變磁場在微波頻段 第5頁/共30頁 () () xyzz xyzz Hihjhk Hh Mimjmk Mm 0 0 i t i t hh e mm e 令： 000 000 xy xyx z i mmyh mi mh mo 在 hH，mM 時，可以忽略二次小量，旋磁方程可以寫作： d

5、d xyzz xyzz ijk M mmMm t hhHh 按二元一次方程求解，可以得到： 第6頁/共30頁 0 0 000 a a i mihh 000 2 00 0000 2222 0 00 0 2 0000 2222 00 y x xxyxay yxyaxy h hi mhihhih i i mihhihh 顯然，恒磁場和交變磁場共同作用下，磁化率變?yōu)閺埩俊Ｆ鋸埩吭际呛愦艌龊徒蛔兇艌龉餐饔孟?，磁化率變?yōu)閺埩俊Ｆ鋸埩吭际?頻率的函數(shù)，在頻率的函數(shù)，在0時，發(fā)生共振時，發(fā)生共振，張量元（在無損耗下）無限大。 出現(xiàn)張量磁化率的意義是：由于進動，某方向上的微波磁感應(yīng)強度不但由于進動，某方向

6、上的微波磁感應(yīng)強度不但 與同方向上微波磁場強度有關(guān)，也與垂直方向的微波磁場強度有關(guān)?；蚺c同方向上微波磁場強度有關(guān)，也與垂直方向的微波磁場強度有關(guān)?；?者說某方向上微波磁場不但影響該方向上的磁感應(yīng)強度，而且還影響垂者說某方向上微波磁場不但影響該方向上的磁感應(yīng)強度，而且還影響垂 直方向上的磁感應(yīng)強度。直方向上的磁感應(yīng)強度。 第7頁/共30頁 2 0000 2222 00 , a 第8頁/共30頁 d d D M MHT t , aaa i i 12 2 0 22 (1) z z H M 求解有阻尼項的旋磁方程： 共振頻率發(fā)生漂移： 張量元變?yōu)閺?fù)數(shù)： 求解方法同上，過程從略，其結(jié)果是 ： 張量元的實

7、部和虛部都是頻率的函數(shù)，會發(fā)生頻散和吸頻散和吸 收收，其計算曲線如下圖所示，接近共振頻率時， 變化劇變化劇 烈烈并可能出現(xiàn)負值， 出現(xiàn)最大值，即損耗達到極大。 第9頁/共30頁 第10頁/共30頁 按正負圓偏振交變磁場情況 來討論鐵磁體的共振，更能 反映其特征。 只有正圓偏振（右旋只有正圓偏振（右旋 ）存在頻散和吸收，對負）存在頻散和吸收，對負 圓偏振（左旋）圓偏振（左旋） ，頻率影，頻率影 響不大。這一特點對磁性響不大。這一特點對磁性 材料的應(yīng)用十分重要。材料的應(yīng)用十分重要。 a a tj yx hm ehe jeh )( ) ( 0 第11頁/共30頁 在共振頻率處，磁導(dǎo)率虛部出現(xiàn)極大值，

8、意味著當微波磁場頻率 和磁距進動頻率相等時， 磁距進動從微波場中吸收的能量最多 、并通過阻尼作用消耗掉，變?yōu)闊崮堋９舱袷莾煞N運動頻率相等 時產(chǎn)生的強烈的能量交換現(xiàn)象。不同材料的阻尼情況不同，損耗 大小也不同。通常用共振線寬H 來表示，定義如圖： 可以證明共振線寬和阻 尼系數(shù)的關(guān)系為： 0 222 H 這是一個很重要的關(guān)系式，測測 量共振線寬量共振線寬H 即可以估算出即可以估算出 阻尼系數(shù)的數(shù)值。研究影響共阻尼系數(shù)的數(shù)值。研究影響共 振線寬的因素一直是鐵磁共振振線寬的因素一直是鐵磁共振 研究的重要內(nèi)容。研究的重要內(nèi)容。 共振測量一般是固定微波頻 率，改變磁場數(shù)值 第12頁/共30頁 41 610

9、 10 10 A m 1010s H 實際材料： 可以估出： 由此可見 弛豫過程是非常短暫的，其機理尚不完全清楚，比弛豫過程是非常短暫的，其機理尚不完全清楚，比 較可以肯定的是：或通過自旋晶格耦合使磁距一致進動的能較可以肯定的是：或通過自旋晶格耦合使磁距一致進動的能 量直接轉(zhuǎn)化為聲子；或先通過自旋自旋耦合，使磁距的一致量直接轉(zhuǎn)化為聲子；或先通過自旋自旋耦合，使磁距的一致 進動轉(zhuǎn)變?yōu)榉且恢逻M動，磁距的非一致進動再通過自旋晶格進動轉(zhuǎn)變?yōu)榉且恢逻M動，磁距的非一致進動再通過自旋晶格 耦合轉(zhuǎn)變?yōu)槁曌?，總之都轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц竦臒嵴駝?，使材料的溫度耦合轉(zhuǎn)變?yōu)槁曌?，總之都轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц竦臒嵴駝樱共牧系臏囟?升高。升高

10、。 第13頁/共30頁 第14頁/共30頁 第15頁/共30頁 1. 形狀的影響： 2. 磁晶各向異性的影響：（以立方晶系為例） 3. 自然共振自然共振：沒有外磁場時，材料內(nèi)部的磁晶各向異性場和微波交變磁 場聯(lián)合作用也會引起共振，稱自然共振。由于不加外場時磁疇結(jié)構(gòu) 比較復(fù)雜，疇壁上的退磁能直接影響著共振頻率，因此自然共振峰自然共振峰 往往出現(xiàn)在一個很寬的頻率范圍內(nèi)往往出現(xiàn)在一個很寬的頻率范圍內(nèi)，成為許多鐵氧體高頻或超高頻 波段頻散和損耗的來源。 4. 未飽和磁化的影響；當微波頻率較低，相應(yīng)的共振磁場不足以使鐵磁 體飽和磁化時，由于磁疇形狀和磁矩取向的差別，其共振頻率不會 是單一的，而是出現(xiàn)在一

11、個較寬的頻率范圍內(nèi)，同一外磁場下會出 現(xiàn)復(fù)峰或多峰。 5. 多晶材料的共振：各種不同的磁晶各異效果，共振峰很寬。 22 0 ()() zxzzyz HNNMHNNM 11 00100111 00 24 (),() 3 SS KK HH MM 共振頻率和磁場取向有關(guān)共振頻率和磁場取向有關(guān)。 第16頁/共30頁 第17頁/共30頁 球型樣品： 圓薄片樣品： 圓柱樣品： 0 H 0 ()HM 0 1 () 2 HM 第18頁/共30頁 第19頁/共30頁 復(fù)雜情形共振頻率的確定要從能量關(guān)系出發(fā)： Hkdex FFFFF 首先寫出其能量表達式： sincos sinsin cos arccos arc

12、tan x y z z y x MM MM MM M M M M 0 FF 給出平衡位置00，并在平 衡位置附近做能量展開，代 入旋磁方程求解后，有： 令： 通過 00 1 2 2 222 0 22 00 sin FFF M 有： 第20頁/共30頁 前面幾節(jié)中都假定樣品中的原子磁矩在圍繞恒磁場的進動過 程中始終保持方向一致，沒有相位上的差異，然而實際上是存在 著非一致進動的，靜磁性共振和自旋波共振就屬于非一致進動。 靜磁型共振靜磁型共振：當樣品處在諧振腔中微波磁場分布不均勻的地方 時，同一頻率下，改變恒磁場強度會觀察到一系列的共振峰， 其主峰是一致共振，其它是非一致共振峰。 自旋波共振自旋波

13、共振：當微波磁場所激發(fā)的磁距非一致進動的空間波 長變的很小，以至于不能忽視交換場的作用時，電子自旋在 磁場中的進動就不再是分立的靜磁型共振，而變?yōu)樽孕ā?第21頁/共30頁 一致共振峰 第22頁/共30頁 第23頁/共30頁 第24頁/共30頁 () i HM 第25頁/共30頁 電磁波在旋磁介質(zhì)中傳播時，會發(fā)生一些特殊的現(xiàn)象： 1. 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)：當電磁波平行于磁場方向傳播時，由于正負圓 偏振波的傳播速度不同，會發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)。而且這種偏轉(zhuǎn)只 和恒磁場的方向有關(guān)，和電磁波的傳播方向無關(guān)。利用法拉第效 應(yīng)可以制作成非互易器件。 2. 科頓毛頓效應(yīng)科頓毛頓效應(yīng)：電磁波垂直于恒磁場方向

14、傳播時，會發(fā)生 雙折射現(xiàn)象。 第26頁/共30頁 以上討論雖只針對鐵磁物質(zhì)進行，但所有自旋系統(tǒng)在恒所有自旋系統(tǒng)在恒 定磁場和交變磁場共同作用下，都會發(fā)生共振現(xiàn)象，定磁場和交變磁場共同作用下，都會發(fā)生共振現(xiàn)象，所以磁所以磁 共振是物質(zhì)最普遍的性質(zhì)之一共振是物質(zhì)最普遍的性質(zhì)之一，有著越來越廣泛的應(yīng)用。文 獻中常用到的縮寫有：FMR（鐵磁共振）,AFMR（反鐵磁共 振）,SWR（自旋波共振），EPR（電子順磁共振）,ESR（ 電子自旋共振），NMR（核磁共振）NQR（核四極矩共振） 等。 以上各種磁共振的原理是一樣的以上各種磁共振的原理是一樣的，都可以用有阻尼的 旋磁方程來處理。非強磁材料的磁共振多用于揭示物質(zhì)的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)，已成為物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的常規(guī)手段。特別是