微波铁磁共振

1. 微波铁磁共振 实验物理中心 崔益民 1

2. 微波铁磁共振在磁学和固体物理学中占有重要地位。它是微波铁氧体物理学的基础。微波铁氧体在雷达技术和微波通信方面有重要的应用。                                        铁磁共振和顺磁共振、核磁共振一样是研究物质宏观性能和微观结构的有效手段。 • 微波铁磁共振（FMR）是指铁磁介质处在频率为f的微波电磁场中，当改变外加恒磁场H的大小时，发生的共振吸收现象。铁磁共振观察的对象是铁磁介质中的未偶电子，可以说它是铁磁介质中的电子自旋共振。 •  本实验采用扫场法进行微波铁磁材料的共振实验。即保持微波频率不变，连续改变外磁场，当外磁场与微波频率之间符合一定的关系时，可发生射频磁场的能量被吸收的铁磁共振现象。 2

3. 主要内容 一、实验目的 二、实验原理 三、实验仪器 四、实验内容 五、实验注意事项 3

4. 一、实验目的 • 了解铁磁共振的基本原理和实验方法，观测铁磁共振现象； • 掌握用谐振腔法测量共振线宽及朗德因子； • 了解微波基本知识，了解有关的微波测量技术。 4

5. 二、实验原理 1.铁磁性物质的磁化强度矢量 在外磁场 中运动状态的经典力学运动方程为： 式中 ，负号表示 绕 作右旋进动; 为物质内部对 γ为旋磁比. 产生的阻尼转矩, 对1式求解,可得到FMR条件: 为玻尔磁子, 为微波磁场的圆频率，Br称为共振磁场。TD 所代表的阻尼转矩是一个微观能量转化的过程，阻尼的大小反应共振系统能量转化为热运动能量的快慢程度。 5

6. 二、实验原理 2.由于磁导率µ与磁化率χ之间有如下关系： Χ取复数形式 所以μ也为复数，称为复数磁导率 实部μ‘为铁磁性物质在恒定磁场B0中的磁导率，它决定磁性材料中贮存的磁能（=μ’ B02）；虚部μ’’则反应脚边磁场能在磁性材料中的损耗。 6

7. 二、实验原理 图1  张量磁化率对角组元的虚部μ”与外加恒磁场的关系曲线 • 从经典观点看，铁磁共振点相应于铁磁体的磁损耗呈现极大值。 • 从量子观点看，铁磁体在恒磁场作用下，产生能级分裂，当外来微波电磁场量子（hf）等于能级间隔时，将发生对这种量子的共振吸收。 7

8. 二、实验原理 图2   输出功率与外加恒磁场的关系 8

9. 二、实验原理 通常将与μ”max相对应的磁场Hr称为共振磁场，对应球形样品，Hr与角频率ω的关系为： Hr=ω/γ（4）                                        式中γ=geμ0/2mc,称为旋磁比；m 、e分别是电子的质量和带电量的绝对值；μ0为真空导磁率；c是真空中光速；g为光谱分裂因子—朗德因子。 而使μ”降到其最大值一半时相对应的两个磁场值之差| H2 -H1|称为铁磁共振线宽。这是一个非常重要的物理量，它是铁氧体内部能量转换微观机制的宏观表现，其大小标志着磁损耗的大小。 9

10. 二、实验原理 本实验是采用传输式谐振腔测量铁磁共振线宽。测量时我们采用非逐点调谐法，只在无共振吸收时调谐一次，这对于窄共振线宽的情况是完全可行的。但应该注意，此时为考虑频散修正，可用如下公式(修正公式)从测量的P出—H曲线上定出ΔH：                           (5) 10

11. 二、实验原理 • 因为本系统信号较小，晶体检波器的检波律符合平方律，即检波电流与输出功率成正比（I∝P），故传输式谐振腔的输出功率可用晶体检波器的检波电流作相对指示。微安表可以检测谐振腔的输出功率。且由（5）式知，对检波电流同样有：       (6) 11

12. 三、实验仪器 12

13. 四、实验内容 • 用示波器观察单晶的共振曲线，理解 • 铁磁共振现象 •  测量多晶的共振线宽及朗德因子 13

14. 五、实验注意事项 1． 微波信号源要求预热20分钟。 2. 微波频率的不许调节。 3． 特斯拉计的探头是易脆材料，使用时要小心。 4.实验完成后，一定要把样品拿出来。 5.实验完成后，一定先将电磁铁磁场降到0，再关共振仪。 14

15. 实验后思考题 课后思考题 1，2，3 实验报告一周内交 15