旋磁性和铁磁共振现象.ppt

6.1 旋磁性和铁磁共振现象 一. 磁矩进动方程 二. 各向同性、均匀、饱和磁化、无限大样品中的一致进动 2. 恒磁场和交变场同时作用下磁导率变为张量，且有共振特性： 3. 有阻尼时，磁导率张量元变为复数： 4. 正负圆偏振交变磁场作用下的标量磁导率 三. 共振线宽和损耗机理 四. 各种因素对铁磁共振频率的影响 五. 非一致进动：静磁型共振和自旋波谱 六. 电磁波在旋磁介质中的传播 七. 丰富多彩的磁共振现象 * 本节讨论恒定磁场和高频交变磁场共同作用下的铁磁体: 磁化率（磁导率）变为张量，存在损耗的情况下，各张量元均为复数。因磁化率张量是非对称的，电磁波在磁化介质中沿磁化方向传播时，会发生偏振面的旋转，称作旋磁性。 恒定磁场的强度和高频交变磁场的频率满足一定关系时，铁磁体从交变场中吸收的能量达到极大值，我们称之为铁磁共振现象。 交变磁场的幅值超过一定限度时会出现一系列的非线性效应。 铁磁材料的旋磁性和铁磁共振现象在微波器件上有着广泛的应用，是铁氧体磁性材料的重要应用领域。 参考姜书第7章 摘自kittel 8版p253 (下面 M＝MS，H 都是矢量） 在第二章关于抗磁性的讨论中，我们曾给出原子磁距在外磁场中的运动方程： 是原子磁距，γ是旋磁比，g 是朗德因子。 推广到大块物质上，则是： 由此方程可以看出，当磁距不在磁场方向时，将环绕磁场做进动，永远不会转向磁场方向，显然这与事实不符，必须考虑阻尼项的影响。阻尼的存在使进动能量逐渐消耗，进动角减小直至磁距和磁场平行为止。因此，进动方程的完整表示应为： 进动方向 阻尼的来源是复杂的，人们唯像地提出了三种表达方式： 朗道－栗弗席兹形式 吉尔伯特形式 布洛赫形式 或： 三种形式对阻尼的表述是不同的，但作用是一致的，处理磁共振问题时可以根据情况选择使用，当进动角很小，损耗也很小时，可以证明它们系数之间的关系是： 上述方程中的磁场应该指铁磁体内的有效磁场： 为了集中阐明铁磁体在恒磁场和交变场同时作用时的基本性质，我们首先排除恒磁场之外的其它影响，提出如上假定。 1. 无阻尼时的自由进动频率：只存在恒磁场情况 因为有： 这是一个典型的简谐振动方程，其解可以表示为： 恒定值 代入方程中有： 有解条件是其系数行列式为零，即： 这就是自由进动频率。代入方程可以证明： 显然进动是右旋的。 进动频率 对自旋系统，g＝2，有： 交变磁场在微波频段 令： 在 hH，mM 时，可以忽略二次小量，旋磁方程可以写作： 按二元一次方程求解，可以得到： 显然，恒磁场和交变磁场共同作用下，磁化率变为张量。其张量元都是频率的函数，在ω＝ω0时，发生共振，张量元（在无损耗下）无限大。 出现张量磁化率的意义是：由于进动，某方向上的微波磁感应强度不但与同方向上微波磁场强度有关，也与垂直方向的微波磁场强度有关。或者说某方向上微波磁场不但影响该方向上的磁感应强度，而且还影响垂直方向上的磁感应强度。 求解有阻尼项的旋磁方程： 共振频率发生漂移： 张量元变为复数： 求解方法同上，过程从略，其结果是： 张量元的实部和虚部都是频率的函数，会发生频散和吸收，其计算曲线如下图所示，接近共振频率时， 变化剧烈并可能出现负值， 出现最大值，即损耗达到极大。 按正负圆偏振交变磁场情况来讨论铁磁体的共振，更能反映其特征。 只有正圆偏振（右旋）存在频散和吸收，对负圆偏振（左旋） ，频率影响不大。这一特点对磁性材料的应用十分重要。 在共振频率处，磁导率虚部出现极大值，意味着当微波磁场频率和磁距进动频率相等时， 磁距进动从微波场中吸收的能量最多、并通过阻尼作用消耗掉，变为热能。共振是两种运动频率相等时产生的强烈的能量交换现象。不同材料的阻尼情况不同，损耗大小也不同。通常用共振线宽ΔH 来表示，定义如图： 可以证明共振线宽和阻尼系数的关系为： 这是一个很重要的关系式，测量共振线宽ΔH 即可以估算出阻尼系数的数值。研究影响共振线宽的因素一直是铁磁共振研究的重要内容。 共振测量一般是固定微波频率，改变磁场数值 实际材料： 可以估出： 由此可见 弛豫过程是非常短暂的，其机理尚不完全清楚，比较可以肯定的是：或通过自旋－晶格耦合使磁距一致进动的能量直接转化为声子；或先通过自旋－自旋耦合，使磁距的一致进动转变为非一致进动，磁距的非一致进动再通过自旋－晶格耦合转变为声子，总之都转变为晶格的热振动，使材料的温度升高。 1. 形状的影响： 2. 磁晶各向异性的影响：（以立方晶系为例） 3. 自然共振：没有外磁场时，材料内部的磁晶各向异