8铁磁共振实验.doc

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 通过观测铁磁共振测定有关物理量，认识磁共振的一般特性。2 实验原理 一、铁磁共振现象 在铁磁物质中由于电子自旋之间存在着强耦合作用，使铁磁物质内存在着许多自发磁化的小区域，叫磁畴。在恒磁场中，磁导率可用简单的实数来表示，但当铁磁物质在稳恒磁场B和交变磁场B的同时作用下时，其磁导率就要用复数来表示 (1 624) 实部为铁磁性物质在恒定磁场B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B频率固定不变时，随B变化的实验曲线如图l 621所示。在与B。满足 (1 625)处，达到最大值，这种现象称为铁磁共振。通常将B。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。 为什么会发生铁磁共振现象呢?从宏观唯象理论来看，铁氧体的磁矩M在外加恒磁场B的作用下绕着B进动，进动频率，为回磁比。由于铁氧体内部存在阻尼作用，M的进动角会逐渐减小，结果M逐渐趋于平衡方向(B的方向)。当外加微波磁场B的角频率与M的进动频率相等时，M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。 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，M趋于平衡态的过程称为驰豫过程。M在趋于平衡态过程中与平衡态的偏差量减小到初始值的1/e时所经历的时间称为驰豫时间。M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。M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 (1626)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1622所示。传输式谐振腔是一个封闭的金属导体空腔，由一段标准矩形波导管，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QL由下式确定：式中：f0为腔的谐振频率，f1，f2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P之间存在着一定的对应关系。图1 623是P随B变化的关系曲线，图中P0为远离铁磁共振区域时谐振腔的输出功率，P，为共振时的输出功率，与对应，P1/2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。P1/2由P0和决定，且 (1 6.27)因此在铁磁共振实验中，可以将测量-B曲线求的问题转化为测量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B，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(1627)进行修正，修正公式为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1624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(IP)。 检流计G用来测量传输式谐振腔的输出功率，量程0200A。 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，它都装有一可调短路活塞，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O5000Gs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