Ферромагнитный резонанс

Ферромагни́тный резонанс

Одна из разновидностей электронного магнитного резонанса; проявляется в избирательном поглощении ферромагнетиком (См. Ферромагнетики) энергии электромагнитного поля при частотах, совпадающих с собственными частотами ω₀ прецессии магнитных моментов электронной системы ферромагнитного образца во внутреннем эффективном магнитном поле Н_эф. Ф. р. в более узком смысле – возбуждение колебаний типа однородной (во всём объёме образца) прецессии вектора намагниченности J (спиновых волн (См. Спиновые волны) с волновым вектором k = 0), вызываемое магнитным СВЧ-полем H_⊥, перпендикулярным постоянному намагничивающему полю H₀. Однородный Ф. р., как и Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), может быть обнаружен методами магнитной радиоспектроскопии (См. Радиоспектроскопия). Поскольку магнитная СВЧ-восприимчивость (а следовательно, и поглощение) пропорциональна статической магнитной восприимчивости (См. Магнитная восприимчивость) χ₀ = J_s/H₀, где J_s – намагниченность насыщения ферромагнетика, то при Ф. р. поглощение на несколько порядков больше, чем при ЭПР. Благодаря спонтанной намагниченности ферромагнетика поле Н_эф может существенно отличаться от внешнего поля H₀ (из-за магнитной анизотропии (См. Магнитная анизотропия) и размагничивающих эффектов поверхности образца; см. Размагничивающий фактор), обычно Н_эф (0 даже при H₀ = 0 («естественный» Ф. р.). Основные характеристики Ф. р. – резонансные частоты, релаксация, форма и ширина линий поглощения, нелинейные эффекты – определяются коллективной многоэлектронной природой Ферромагнетизма. Квантовомеханическая теория Ф. р. приводит к тому же выражению для частоты Ф. р. ω₀, как и классическому рассмотрение ω₀ = γН_эф, где γ = gμ_Б/η – Магнитомеханическое отношение, g – фактор спектроскопического расщепления (Ланде множитель), μ_Б – Магнетон Бора, η = h/2π – Планка постоянная. Через Н_эф частота ω₀ зависит от формы образца, от ориентации H₀ относительно осей симметрии кристалла и от температуры. Наличие доменной структуры в ферромагнетике усложняет Ф. р., приводя к возможности появления нескольких резонансных пиков.

Обычно имеют дело с неоднородным Ф. р. – возбуждением магнитным СВЧ-полем неоднородных типов коллективных колебаний J_s (спиновых волн с k ≠ 0), специфичных именно для ферромагнетиков. Существование нескольких типов резонансных колебаний, ветвей Ф. р. (спиновых волн с k ≠ 0), наряду с колебаниями типа однородной прецессии (с k = 0) совершенно меняет характер магнитной релаксации и уширения линий поглощения при Ф. р. по сравнению с ЭПР. С квантовомеханической точки зрения процессы релаксации описываются как рассеяние спиновых волн друг на друге, на тепловых колебаниях (Фононах) и на электронах проводимости (в металлах). Например, при однородном Ф. р. релаксация проявляется в уширении его линии поглощения на величину Δω₀ = , где τ₀ – время релаксации, т. е. среднее «время жизни» спиновой волны с k = 0. Ширина линии ΔН для различных ферромагнетиков меняется в пределах от 0,1 до 10³ э. Основную роль в уширении линии играют статические неоднородности: примесные атомы, поры, Дислокации, мельчайшие шероховатости на поверхности образца. Наиболее узкая линия (с ΔН = 0,53 э) наблюдалась в монокристалле соединения Y₃Fe₅O₁₂ – иттриевом Феррите со структурой граната. В металлических ферромагнетиках один из главных механизмов уширения линий Ф. р. связан со Скин-эффектом: СВЧ-поле из-за вихревых токов становится неоднородным и поэтому возбуждает широкий спектр спиновых волн. Существенную роль в рассеянии спиновых волн в металлических ферромагнетиках играет также взаимодействие волн с электронами проводимости. Ширина наиболее узкой линии Ф. р. в металлических ферромагнетиках по порядку величины составляет 10 э.

Нелинейные эффекты Ф. р. определяются связью между однородной прецессией магнитных моментов и неоднородными типами колебаний, которые отсутствуют при ЭПР. Из-за указанной связи при увеличении амплитуды напряжённости магнитного поля Н_⊥ до некоторой критической величины Н_{⊥, кр} начинается быстрый (экспоненциальный) рост колебаний с определёнными волновыми числами (т. н. нестабильное возбуждение колебаний). Такой пороговый характер нестабильного возбуждения обусловлен тем, что при достижении Н_{⊥, кр}, некоторые из спиновых волн с k ≠ 0 не успевают получаемую ими (от волн с k = 0) энергию передавать другим спиновым волнам или фононам.

Магнитоупругие взаимодействия в ферромагнетиках (см. Магнитострикция) могут привести к параметрическому возбуждению нестабильных колебаний кристаллической решётки (фононов) магнитным СВЧ-полем и обратному эффекту – возбуждению спиновых волн СВЧ-полем упругих напряжений (Гиперзвуком). Изучение Ф. р. привело к созданию на его основе многих СВЧ-устройств: вентилей и циркуляторов, генераторов, усилителей, параметрических преобразователей частоты и ограничителей мощности.

Впервые на резонансный характер поглощения сантиметровых электромагнитных волн ферромагнетиками указал в 1911–13 В. К. Аркадьев.

Лит.: Ферромагнитный резонанс и поведение ферромагнетиков в переменных магнитных полях. Сб., пер. с англ., М., 1952; Ферромагнитный резонанс, М., 1961; Гуревич А, Г,, Ферриты на сверхвысоких частотах, М., 1960; его же, Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках, М,, 1973; Моносов Я. А., Нелинейный ферромагнитный резонанс, М., 1971; Magnetism, A treatise on modern theory and materials, v. I, N. Y. – L., 1963.

С. В. Вонсовский.