СПИН-ФОНОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Взаимодействие между магн. моментами парамагн. ч-ц в в-ве или ядер (системы спинов) и упругими колебаниями окружающей их среды (фононами). Различают электронное С.-ф. в. и ядерное С.-ф. в.

Электронное С.-ф. в. в парамагн. кристаллах обусловлено разл. механизмами. В «разбавленных» парамагнетиках — кристаллах, где решётку образуют диамагн. ионы, а парамагн. ионы замещают лишь незначит. их часть и практически не взаимодействуют друг с другом, осн. роль играет механизм Ван Флека. Диамагн. ионы в таких кристаллах создают сильное электрич. внутрикристаллическое поле. Распространение акустич. волн в кристалле приводит к периодич. искажению крист. решётки и, следовательно, к периодич. изменению внутрикрист. поля. Переменное поле влияет на орбитальное движение эл-нов парамагн. иона и тем самым на его орбитальный магн. момент, изменение к-рого посредством спин-орбитального взаимодействия вызывает переориентацию спинового магн. момента иона.

В материалах с большой плотностью парамагн. ч-ц, где нельзя пренебрегать влиянием парамагн. ионов друг на друга, гл. роль при С.-ф. в. играет т. н. механизм Валлера. При упругих колебаниях решётки расстояния между парамагн. ионами изменяются с частотой этих колебаний. Возникает осциллирующее магн. поле, к-рое взаимодействует со спиновым и орбит. магн. моментами парамагн. ч-ц.

Электронное С.-ф. в. сильно проявляется в парамагн. кристаллах с ионами группы железа и редкоземельными ионами, напр. в Аl2О3, с примесью ионов Cr3+, в CaFe2 с Eu2+ .

Передача энергии фононов системе спинов происходит в два этапа: от фононов к орбитальному движению эл-нов и от орбитального движения к спинам. Такое спин-решёточное вз-ствие может осуществляться посредством двух процессов: прямого и непрямого.

Схема перехода: а — с уровня энергии ?i на уровень ?j, сопровождаемого излучением фонона hn0; б — с уровня ?j на уровень ?i, сопровождаемого поглощением фонона hn0.

В прямых, или однофононных, процессах переход иона с верхнего энергетич. уровня ?i на нижний ?j сопровождается переориентацией магн. момента эл-на и излучением одного фонона с энергией hn0=?i-?j (рис., а); при обратном процессе происходит поглощение энергии фонона и соответствующее увеличение энергии спиновой системы (рис., б). Прямые процессы преобладают при низких темп-рах; они, напр., наблюдаются во многих парамагн. системах при темп-рах жидкого гелия. С повышением темп-ры энергия колебаний кристаллической решётки возрастает и начинает преобладать непрямой, или комбинац. (многофононный), процесс спин-решёточного вз-ствия: при переходах с уровня ?j на уровень ?i может происходить одновременно поглощение фононов с энергией hn1 и излучение фононов с энергией hn2, так что в результате выполняется условие: ?i-?j=h(n1-n2).

В непрямых процессах участвуют нормальные колебания решётки, характерные для данной темп-ры, поскольку частоты n1 и n2 могут иметь разл. значения в широких пределах; в прямых процессах принимают участие только фононы резонансной частоты n0.

Для количеств. оценки процессов спин-решёточной релаксации и С.-ф. в. пользуются константами С.-ф. в., характеризующими зависимость изменения энергии спиновой системы от деформаций решётки. Константы С.-ф. в. Gijkl явл. компонентами тензора, вид к-рого существенно зависит от симметрии локального электрич. поля вблизи парамагн. иона. Для определения Gijkl чаще всего пользуются методами одноосного сжатия и акустического парамагнитного резонанса. Первый состоит в измерении сдвига линий электронного парамагнитного резонанса под действием одноосного давления, вызывающего статич. деформацию парамагнетика. Величина сдвига пропорциональна первой степени констант С.-ф. в., что позволяет определять величину и знак этих констант.

В случае ядерного С.-ф. в. связь упругих колебаний тв. тела с системой яд. спинов осуществляется посредством неск. видов электрич. и магн. вз-ствий, сила к-рых периодически модулируется акустич. колебаниями. Такими вз-ствиями являются: магн. вз-ствие между спинами соседних ядер — спиновое вз-ствие; электрич. вз-ствие между квадрупольными моментами ядра и градиентом электрич. поля, создаваемым внеш. (по отношению к ядру) зарядами; сверхтонкое вз-ствие в ферромагн. материалах; вз-ствие яд. магн. момента со слабым радиочастотным магн. полем, возникающим при распространении поперечной звуковой волны в металле, и др.

Ядра со спином I>1/2 обладают электрич. квадрупольным моментом. Акустич. колебания крист. решётки вызывают периодич. изменения градиента внутрикрист. электрич. полей, к-рые, взаимодействуя с квадрупольным моментом ядра, осуществляют ядерное С.-ф. в. Передача энергии акустич. колебаний яд. спинам осуществлялась гл. обр. за счёт яд. электрич. квадрупольного вз-ствия (см. ЯДЕРНЫЙ КВАДРУПОЛЪНЫЙ РЕЗОНАНС). Такие вз-ствия наблюдаются в щёлочно-галоидных кристаллах, содержащих ядра, напр. 23Na, 79Br; в полупроводниках группы AIIIBV, таких, как InSb, к-рый содержит ядра 115In, и др.; в монокристаллах металлов, напр. Та. Ядерное С.-ф. в. чаще всего характеризуется коэфф. спин-фононного поглощения звука, к-рый позволяет получать информацию о природе и величине внутр. магн. полей и о процессах яд. спин-решёточной релаксации, определять величину яд. квадрупольного вз-ствия и др. Ядерное С.-ф. в. изучается с помощью методов, используемых при наблюдении акустического ядерного магнитного резонанса, т. е. в области частот от 1 до 100 МГц.