Специально вводимые в диамагнитные кристаллы примесные парамагнитные ионы оказались прекрасными зондами для изучения методом ЭПР локальной структуры и симметрии, природы химических связей примесного иона с кристаллическим окружением, электронно-колебательных взаимодействий и т.д. Наблюдение ЯМР служит источником информации о неэквивалентных позициях одинаковых атомов в молекулах (так называемый химический сдвиг Найта), о непрямом спин-спиновом взаимодействии ядер через посредство электронных оболочек.
Двойной электронно-ядерный резонанс (ДЭЯР) представляет собой детектирование квантовых переходов между ядерными магнитными подуровнями по их влиянию на интенсивность сигналов ЭПР [6]. ДЭЯР был открыт Г. Феером (США) в 1956 году и наблюдается следующим образом: сначала под влиянием СВЧ-излучения частоты ne насыщается сигнал ЭПР, то есть выравниваются населенности нижнего и верхнего уровней (например, 1 и 4 на рис. 3), в результате чего сигнал ЭПР исчезает, затем подается радиочастотное поле частоты ЯМР nr , которое приводит к изменению населенностей и появлению сигнала ЭПР (рис. 3).
Метод ДЭЯР используют для наблюдения сверхтонкой и суперсверхтонкой структуры энергетического спектра парамагнитных примесных ионов в полупроводниках и диэлектриках. Эта структура обусловлена спин-спиновыми взаимодействиями электронов парамагнитного иона с собственным ядром и ядрами окружающих атомов. Это позволяет изучать распределение электронной плотности вокруг парамагнитных центров, сверхтонкие и квадрупольные взаимодействия и т. д. Метод ДЭЯР сочетает большую чувствительность ЭПР с высокой разрешающей способностью метода ЯМР.
5) ПАРАЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС
Параэлектрический резонанс является электрическим аналогом магнитного резонанса. Он представляет собой резонансное поглощение электромагнитного излучения СВЧ веществом, помещенным в постоянное электрическое поле [5]. Этот резонанс возникает в результате переориентации электрических дипольных моментов молекул или примесных центров в кристаллах из одного равновесного положения в другое под действием электрической компоненты переменного электромагнитного поля. Равновесные положения могут быть разделены невысокими потенциальными барьерами, что создает возможность туннелирования между ними. Это туннелирование изменяет энергетический спектр, создавая дополнительные расщепления уровней. Внешнее электрическое поле смещает и расщепляет уровни, изменяя частоты переходов.
Поскольку элементарные частицы не обладают электрическим дипольным моментом, последние могут возникать в ионных кристаллах благодаря смещению центрального иона в одно из нецентральных равновесных положений или при введении в кристалл примесных молекул с постоянным электрическим дипольным моментом. Параэлектрический резонанс наблюдался, например, в кристаллах KCl с примесью Li+ при температурах T # 10 K.
Параэлектрическая спектроскопия привела к дальнейшему расширению информативных возможностей радиоспектроскопии и имеет также практические применения (электрическое адиабатическое охлаждение, создание фононных генераторов и др.).
6) ЦИКЛОТРОННЫЙ РЕЗОНАНС В ПРОВОДНИКАХ
Если поместить проводник в постоянное магнитное поле напряженности H, то электроны (дырки) проводимости при движении под углом к H испытывают действие силы Лоренца [7]
где q - заряд, а n - скорость электрона (дырки), c - скорость света, B - магнитная индукция, B = mH, m - магнитная проницаемость (в немагнитных проводниках m = 1). Движение заряженной частицы в магнитном поле является винтовым: равномерным в проекции на B и круговым в проекции на плоскость, перпендикулярную B. Полагая
находим радиус окружности
и круговую частоту вращения
Здесь m - масса частицы, n' - проекция скорости частицы на указанную выше плоскость, а wc - циклотронная частота. Обычно wc ~ 1010-1012 Гц при B ~ 1-100 кГс.
Если к проводнику приложить переменное электромагнитное поле, то при совпадении его частоты с циклотронной частотой наблюдается резкое увеличение поглощения этого поля, то есть наступает циклотронный резонанс (ЦР). Он может наблюдаться при условии, что носители заряда успевают сделать много оборотов между столкновениями с другими частицами. В металлах ЦР имеет свою специфику в связи с тем, что электромагнитная волна проникает в металл на малую глубину (скин-слой). ЦР широко применяется в физике твердого тела для изучения энергетического спектра, измерения знака заряда и эффективной массы электронов (дырок).
Виды резонансов чрезвычайно многообразны, и в краткой статье нет возможности остановиться на всех. Перечислим еще некоторые из них
Акустический резонанс - избирательное поглощение энергии акустических волн высоких частот (гиперзвук) в парамагнитных кристаллах, помещенных в постоянное магнитное поле.
Параметрический резонанс - избирательное возбуждение колебаний разной природы в веществе путем периодического изменения некоторых его параметров.
Рентгеновская спектроскопия - характеристическое поглощение или испускание рентгеновских волн веществом.
g-Резонанс - резонансное поглощение и рассеяние g-квантов ядрами атомов вещества [8]. В спектре твердого тела этому резонансу могут отвечать очень узкие пики, если процесс излучения или поглощения g-кванта происходит без отдачи (эффект Мёссбауэра, 1958 год). Такой процесс возможен, если энергия отдачи ядра меньше минимальной энергии фононов, так как в этом случае происходит бесфононный квантовый переход. g-Резонансное рассеяние в принципе может быть использовано для определения структуры кристаллов, изучаются пути решения проблемы создания g-лазера (газера). В связи с чрезвычайной узостью пиков g-резонанса (Dn / n ~ 10- 10) его можно использовать для очень точного измерения частоты.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Резонансные методы исследования вещества можно отнести к числу наиболее информативных и точных. С их помощью можно изучать химический состав, симметрию, структуру, энергетический спектр вещества, электрические, спин-орбитальные, магнитные, сверхтонкие и суперсверхтонкие взаимодействия в нем. Эти методы могут удачно дополнять друг друга. Они нашли широкое применение в физике, химии, биологии и медицине.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шахмаев Н.М. Физика. М.: Высш. шк., 1977. Ч. 2: Колебания и волны. Оптика. Строение атома.
2. Альтшулер С.А., Козырев Б.М. Электронный парамагнитный резонанс. М.: Наука, 1972.
3. Пейк Дж. Парамагнитный резонанс. М.: Мир, 1965.
4. Лоу В. Парамагнитный резонанс в твердых телах. М.: Изд-во иностр. лит., 1962.
5. Электрические эффекты в радиоспектроскопии / Под ред. М.Ф. Дейгена. М.: Наука, 1981.
6. Феер Дж. Электронная структура доноров в кремнии, определенная с помощью метода ДЭЯР // Электронный спиновый резонанс в полупроводниках. М.: Изд-во иностр. лит., 1962.
7. Элементарный учебник физики / Под ред. Г.С. Ландсберга. М.: Наука, 1971. Т. 2: Электричество и магнетизм.
8. Вертхейм Г. Эффект Мессбауэра. М.: Мир, 1966.
* * *
Владимир Иванович Черепанов, доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики Уральского государственного университета им. А.М. Горького. Область научных интересов - спектроскопия твердого тела. Соавтор двух монографий и более 120 научных статей.