[科普中国]-铁磁共振

简介

铁磁共振在1911年由V.K.Arkad'yev在铁磁性材料中观察到UHF辐射的吸收时不知不觉的被发现。FMR的定性解释以及来自Arkad'yev的结果的解释是由Ya提出的。G.Dorfman于1923年提出由塞曼分裂引起的光学跃迁可以提供一种研究铁磁结构的方法。

由LevLandau和EvgenyLifshitz发表的一篇1935年的论文预测了拉莫尔进动的铁磁共振的存在，这在1946年由JHEGriffiths（UK）和EKZavoiskij（USSR）进行的实验中得到了独立验证。1

原理FMR源于（通常是相当大的）磁化在外部磁场的铁磁材料的的进动运动。磁场在样品磁化上施加转矩，导致样品中的磁矩进动。磁化的进动频率取决于材料的取向，磁场的强度以及样品的宏观磁化强度；铁磁体的有效进动频率远低于在EPR中观察到的自由电子的进动频率。而且，吸收峰的线宽可以通过偶极变窄和交换展宽（量子）效应而受到很大影响。此外，在FMR中观察到的并不是所有的吸收峰都是由铁磁体中的电子磁矩的进动引起的。因此，FMR谱的理论分析远比EPR或NMR谱复杂得多。2

FMR实验的基本设置是带有电磁铁的微波谐振腔。谐振腔固定在超高频段的频率上。探测器放置在空腔的末端来检测微波。将磁性样品放置在电磁体的磁极之间，并扫描磁场，同时检测微波的谐振吸收强度。当磁化进动频率和谐振腔频率相同时，吸收量急剧增加，这由检测器处的强度下降来表示。

此外，微波能量的共振吸收引起铁磁体的局部加热。在局部磁性参数在纳米尺度上变化的样品中，这种效应被用于空间依赖性光谱学研究。

平行施加外场的薄膜的谐振频率由Kittel公式给出：

其中是铁磁体的磁化，是旋磁比。3

用于FMR测试的铁磁样品的准备a.通常同样的样品至少要准备两个或两个以上。第一个样品用于初测，确定增益、磁场扫描范围等测试条件，及测试有磁化历史(剩余磁化强度Mr≠0)情况下的FMR谱。第二个样品用于同样测度条件下，测试没有磁化历史(剩余磁化强度Mr=0)情况下的FMR谱。

b.粉末或块状样品最好做成小球，以消除形状各向异性的退磁因子的影响。然后封装在石英毛细管内，一方面使用方便，另一方面可以避免铁磁样品对ESR谱仪谐振腔的污染。铁磁共振是自旋的一致共振，其共振信号比顺磁共振强得多，因而通常用ESR谱仪测铁磁共振时，铁磁样品的质量只能用很少，一般2～10mg即可；而且信号的增益要从ESR谱仪可能的最小增益开始试选，以免因信号过强而使谱仪受损。

c.薄膜样品最好做成直径约为4mm的小圆片，一方面便于考虑形状各向异性退磁因子的影响，另一方面便于将样品固定在可以转动的样品架上，进行各向异性FMR谱的测量。4

FMR的测试a.磁场扫描范围最好从ESR谱仪的最底磁场(大约是0.002～0.004T)开始。不论是否为起始磁化的FMR谱，低场的情况都是不能忽视的，因为铁磁体的内部等效分子场、各向异性等效磁场等等都有可能使FMR谱的实际测到的共振峰处在低场。有单轴各向异性的小球样品和薄膜样品的FMR谱都是各向异性的。样品固定在可以转动的样品架上，进行H与样品取向不同角度的测量。

b.磁场扫描范围最好宽一些，特别是有自旋波共振的情况，大约要1.4T。

c.对磁相变温度，居里点不是太高的样品，例如，居里温度在150～300K，可以考虑做变温FMR谱来研究样品的铁磁-高温顺磁的磁性相变。4