Résonance paramagnétique acoustique - Acoustic paramagnetic resonance
La résonance paramagnétique acoustique ( APR ) est un phénomène d'absorption résonnante du son par un système de particules magnétiques placées dans un champ magnétique externe . Il se produit lorsque l'énergie du quantum de l' onde sonore devient égale à la division des niveaux d'énergie des particules, la division étant induite par le champ magnétique. L'APR est une variation de la résonance paramagnétique électronique (EPR) où les ondes acoustiques plutôt qu'électromagnétiques sont absorbées par l'échantillon étudié. L'APR a été théoriquement prédit en 1952, indépendamment par Semen Altshuler et Alfred Kastler , et a été observé expérimentalement par WG Proctor et WH Tanttila en 1955.
Histoire
Après la découverte de l'EPR en 1944, Evgeny Zavoisky a prédit que le phénomène de résonance ne devrait pas se limiter à l'absorption radio ou micro-ondes mais pourrait être étendu aux ondes sonores. Cette idée a été théoriquement développée par son collaborateur Semen Altshuler en 1952 et indépendamment par Alfred Kastler; alors qu'Altshuler a rapporté l'effet sur les spins d'électrons, Kastler a calculé un système de spin nucléaire. La première détection expérimentale de l'APR a été rapportée en 1955 en utilisant des noyaux de 35 Cl dans des monocristaux de chlorate de sodium . Ce travail nucléaire-APR a été étendu à l'électron-APR en 1959. D'autres applications de l'APR à la polarisation nucléaire et aux masers acoustiques ont été proposées plus tard par Kastler et Charles Townes .
Mécanisme
L'effet APR est très similaire à l'EPR: chaque électron ou noyau, libre ou dans un solide, a un moment magnétique et un spin qui lui est associé . Le spin peut prendre des valeurs entières ou demi-entières, par exemple 1/2, 1, 3/2, etc., et les composantes magnétiques correspondantes m s = ± 1/2, ± 1, ± 3/2 , etc. Ici, les niveaux des valeurs de spin plus et moins sont dégénérés, c'est-à-dire ont des énergies égales. Lors de l'application d'un champ magnétique externe, ces spins s'alignent le long du champ ou à l'opposé de celui-ci; en termes de diagramme d'énergie, les niveaux d'énergie se répartissent comme indiqué sur la figure. Si une onde sonore avec une certaine énergie quantique E irradie ce système de spin, à une certaine valeur du champ magnétique, lorsque E est égal à la division magnétique ΔE, il se produit une absorption résonnante du son, c'est-à-dire l'effet APR.
Tant en EPR qu'en APR, l'énergie absorbée est transférée au réseau via la relaxation spin-phonon. Cependant, alors qu'en EPR ce processus est de second ordre, et implique donc deux phonons, la relaxation ne prend qu'un phonon en APR et est donc beaucoup plus rapide. Cela affecte la forme de ligne de la résonance et sa dépendance à la température et permet de sonder la relaxation spin-réseau différemment en EPR et APR.
Montage expérimental
L'APR est généralement mesuré en utilisant la technique de l'écho pulsé à des fréquences sonores élevées de l'ordre de 100 MHz à 100 GHz. Deux côtés opposés d'un cristal étudié sont polis miroir et parallèles l'un à l'autre, et un cristal piézoélectrique est attaché à un côté. Il génère une onde ultrasonore qui est détectée après de multiples rebonds entre les côtés plats, et l'atténuation du signal sert de mesure de l'absorption résonnante. Le cristal est situé à l'intérieur de l'aimant capable de fournir un champ statique correspondant à la fréquence appliquée. Pour un électron avec un spin 1/2 et le facteur de division des niveaux d'énergie (le soi-disant facteur de division spectroscopique g) g = 2, le champ requis est de 33 à 33 000 Gauss pour les fréquences 100 MHz - 100 GHz.