实验十八铁磁共振讲义

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1、实验十八铁磁共振(FMR)在现代，铁磁共振也和顺磁共振、核磁共振……等一样是研究物质宏观性能和微观结构的有效手段。铁磁共振在磁学乃至固体物理学中都占有重要地位，它是微波铁氧体物理学的基础。而微波铁氧体在雷达技术和微波通讯方面都已获得重要应用。早在1935年著名苏联物理学家兰道（л·д·лaHдay）等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性。十几年后超高频技术发展起来，才观察到铁磁共振现象。多晶铁氧体最早的铁磁共振实验发表于1948年，以后的工作则多采用单晶样品，这是因为多晶样品的共振吸收线较宽，又非洛仑兹分布，也不对称；并在许多样品中出现细结构。单晶样品

2、的共振数据易于分析，不仅普遍被用来测量因子、共振线宽及弛豫时间，而且还可以测量磁晶各向异性参量。【实验目的】1.熟悉微波信号源的组成和使用方法，学习微波装置调整技术。2.了解铁磁共振的基本原理，学习用谐振腔法观测铁磁共振的测量原理和实验条件。3.测量微波铁氧体的铁磁共振线宽；测量微波铁氧体的因子。【实验仪器】DH800A型微波铁磁共振实验系统和示波器等。【实验原理】1.铁磁共振铁磁物质的磁性来源于原子磁矩，一般原子磁矩主要由未满壳层电子轨道磁矩和电子自旋磁矩决定。在铁磁性物质中，电子轨道磁矩受晶场作用，其方向不停地在变化，不能产生联合磁矩，对外不表

3、现磁性，故其原子磁矩来源于未满壳层中未配对电子的自旋磁矩。但是，铁磁性物质中电子自旋由于交换作用形成磁有序，任何一块铁磁体内部都形成许多磁矩取向一致的微小自发磁化区(约个原子)称为“磁畴”，平时“磁畴”的排列方向是混乱的，所以在未磁化前对外不显磁性，在足够强的外磁场作用下，即可达到饱和磁化，引用磁化强度矢量，它表征铁磁物质中全体电子自旋磁矩的集体行为，简称为系统磁矩。处于稳恒磁场和微波磁场中的铁磁物质，它的微波磁感应强度可表示为(1)称为张量磁导率，为真空中的磁导率。（2）、称为张量磁导率的元素。(3)、的实部和虚部随的变化曲线如图1(a、b)12

4、图1a实部变化曲线b虚部变化曲线、在处的数值和符号都剧烈变化称为色散。、在处达到极大值称为共振吸收，此现象即为铁磁共振。这里为微波磁场的旋转频率，为铁磁物质的旋磁比。（4）上式中：，称为玻尔磁子，，是普朗克常数。定义为铁磁物质能的损耗，微波铁磁材料在频率为的微波磁场中，当改变铁磁材料样品上的稳恒磁场时，在满足时，此时磁损耗最大，常用共振吸收线宽Δ来描术铁磁物质的磁损耗大小。Δ定义如图2，它是处对应的磁场间隔（2-1），即半高度宽度，它是磁性材料性能的一个重要参数。研究Δ，对于研究铁磁共振的机理和磁性材料的性能有重要意义。图2共振吸收线宽Δ定义图与经

5、典理论的结果一致。铁磁共振在原理上与核磁共振、顺磁共振相似。铁磁共振由宏观唯象理论的解释：铁磁性物质总磁矩在稳恒磁场作用下，绕作进动，进动角频率为，由于内部存在阻尼作用，进动角会逐渐减小，逐渐趋于平衡方向，即的方向而被磁化。当进动频率等于外加微波磁场的角频率时，吸收微波磁场能量，用以克服阻尼并维持进动，此时即发生铁磁共振。12多晶体样品发生铁磁共振时，共振磁场与微波角频率满足下列关系（适用于无限大介质或球型样品）：（5）从量子力学观点看来，当电磁场的量子刚好等于系统的两个相邻塞曼能级间的能量差时，就会发生共振现象，选择定则为的能级跃迁。这个条件是，

6、与经典理论的结果一致。铁磁物质在处呈现共振吸收，只适合于球状样品和磁晶各向异性较小的样品。对于非球状样品，由于铁磁物质在稳恒磁场和微波磁场作用下而磁化，相应的会在内部产生所谓退磁场，而使共振点发生位移，只有球状样品，退磁场对共振点没有影响。另外，铁磁物质在磁场中被磁化的难易程度随方向而异，这种现象称为磁晶各向异性，它等效于一个内部磁场，也会使共振点发生位移，对于单晶样品，实验时，要先作晶轴定向，使易磁化方向转向稳恒磁场方向。对于多晶样品，由于磁晶各向异性比较小，对共振点影响很小。2.用传输式谐振腔测量铁磁共振线宽在稳恒磁场中，磁性材料的磁导率只是一

7、个实数，而在交变磁场（如微波场）中，由于阻尼作用，材料的磁感应强度与磁场强度之间出现位相差，的变化滞后于。因此，材料的磁导率为复数：。其中实部分量相当于稳恒磁磁场时的磁导率，它表示材料贮存的磁能；虚部分量代表交变磁场时材料的磁能损耗。测量铁氧体的微波性质，如铁磁共振线宽，一般采用谐振腔法。根据谐振腔的微扰理论，假设在腔内放置一个很小的样品，除样品所在地外，整个腔内的电磁场分布保持不变。即把样品看成一个微扰。把样品放到腔内微波磁场最大处，将会引起谐振腔的谐振频率f0和品质因数的变化。（6）（7）其中f0、f分别为无样品和有样品时腔的谐振频率。、为磁导

8、率张量对角元的实部和虚部。A为与腔的振荡模式和体积及样品的体积有关的常数。可以证明，在保证谐振腔输入功率（）不变和微扰条件