铁磁共振实验

铁磁共振铁磁共振铁磁共振(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 实验目的实验目的使用微波谐振腔方法，通过观测铁磁共振测定共振线宽、旋磁比、因子和驰Bg 豫时间 等有关物理量，认识磁共振的一般特性2 实验原理实验原理一、铁磁质磁化原理一、铁磁质磁化原理 凡是能与磁场发生相互作用的物质叫磁介质磁介质放入磁场中，磁介质将发生磁化， 产生附加磁场，产生磁性 磁介质一般分为顺磁介质、抗磁介质和铁磁介质① 顺磁介质中产生的附加磁场与外场方向相同，磁介质中的场要比外场'Br0BrBr大，；0Br00BB'BBrrrr② 抗磁介质中产生的附加磁场与外场方向相反，磁介质中的场要比外场'BrBrBr小，；0Br00BB'BBrrrr③ 铁磁介质中产生的附加磁场与外场方向相同，但磁介质中的场要远比外场'Br0BrBr大，是外场的几百倍到几万倍，磁导率很高是铁磁质的最0Br00BB'BBrrrr0BBrr 主要特性 原子中电子参与两种运动：自旋及绕核的轨道运动，对应有轨道磁矩和自旋磁矩整 个分子磁矩是其中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩以及核的自旋磁矩的矢量和（核的自旋 磁矩常可忽略） 。

从原子结构来看，铁磁质的最外层电子，会因电子自旋而产生强耦合的相 互作用这一相互作用的结果使得许多铁磁质原子的电子自旋磁矩在许多小的区域内整齐 地排列起来，形成一个个微小的自发磁化区，称为磁畴在无外磁场时，各磁畴的排列是 不规则的，各磁畴的磁化方向不同，产生的磁效应相互抵消，整个铁磁质不呈现磁性把铁磁质放入外磁场中，铁磁质中磁化方向与外磁场方向接近的磁畴体积扩大，而磁化方0Br向与外磁场方向相反的磁畴体积缩小，以至消失（当外磁场足够强时） ，出现磁畴转向 二、铁磁共振现象二、铁磁共振现象在恒磁场中，磁导率可用简单的实数 来表示（1）x41（是磁化率） ，但当铁磁物质在稳恒磁x场和交变磁场的同时作用下时，由0Br'Br于铁磁质内部结构对磁矩进动的阻抑Mr作用，铁磁质中的磁感性强度要落后Br于交变场，两者存在相差，其磁导率'Br就要用复数来表示(2)“j'实部为铁磁性物质在恒定磁场中的磁导率，它决定磁性材料中贮存的磁能，虚部'0Br则反映交变磁能在磁性材料中的损耗当交变磁场频率固定不变时，，随 B“'Br'“变化的实验曲线如图 l 6.21 所示，其中曲线称为色散曲线或频散曲线；曲线称为吸'“收曲线。

在与满足 0B(3)00 0B2megB处，达到最大值，这种现象称为铁磁共振，其中个为朗德因子，为真空磁导率，“g0为电子电量，为电子质量通常将称为共振磁场值，而两点对应的磁em0Br2““max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12BBBB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B 的机理和提高微波器件性能是十分重要的三、铁磁共振的理论解释三、铁磁共振的理论解释 为什么会发生铁磁共振现象呢?从宏观唯象理论来看，铁磁体的磁矩在外加恒磁场的作用下绕着进动，进动Mr0Br0Br频率，为回磁比由于铁磁体内部存在阻尼作用，的进动角会逐渐减小，结0BMr果逐渐趋于平衡方向(的方向)当外加微波磁场的角频率与的进动频率相等时，Mr0Br'BrMr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Mr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0Br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h（4）mBgEBh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1mBhh果一致。

当磁场改变时，趋于平衡态的过程称为驰豫过程在趋于平衡态过程中与平衡MrMr态的偏差量减小到初始值的时所经历的时间称为驰豫时间在外磁场方向上的分量趋e1Mr于平衡值所需的特征时间称为纵向驰豫时间在垂直于外加磁场方向上的分量趋于１Mr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２２１B/2＝２便，把统称为驰豫时间，则有２１,(5)B2 二、传输式谐振腔二、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 16．22 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由下式确定：LQ（6）210 fffQL式中：为腔的谐振频率，，分别为半功率点频率0f1f2f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，则与腔体输出功率之间存“P在着一定的对应关系。

图 16.23 是随变化的关系曲线，图中为远离铁磁共振区域时PBr0P谐振腔的输出功率，为共振时的输出功率，与对应，为半共振点，与对Pmax“1/2P2/1“应在铁磁共振区域，由于样品的铁磁共振损耗，使输出功率降低由和决定，1/2P0PP且(7)2 00 1/2)PP(P2PP 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B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，都0Br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(16．27)进行修正，修正公式为（8）R00 1/2PPP2PP3 实验装置实验装置用传输式谐振腔观测铁磁共振的实验线路如图 16.24 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(I 与 P 成正比)检流计 G 用来测量传输式谐振腔的输出功率，量程 0～200~A。

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 0～5000Gs 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由学生用特斯拉计测出4 实验内容实验内容1．按图接好各部件注意：传输式谐振腔两端都必须加上带耦合孔的铜片，接入隔离 器时要注意其方向2．开启微波源，选择“等幅”方式，预热 30 分钟3．测量谐振腔的长度，根据公式计算它的谐振频率4．将检波晶体的输出接到电流表上，用电流表测量微波的大小，调节微波频率，使谐 振腔共振，用直读频率计测量共振频率 f0．5．断开扫场，逐点测绘 P-B 曲线6．考虑频散效应，计算 P1/2，并得到相应的值Br7．计算 g 因子，回磁比、驰豫时间。