La resonancia paramagnética acústica ( APR ) es un fenómeno de absorción resonante del sonido por un sistema de partículas magnéticas colocadas en un campo magnético externo . Se produce cuando la energía de la onda de sonido cuántica se hace igual a la división de los niveles de energía de las partículas, la división siendo inducida por el campo magnético. APR es una variación de la resonancia paramagnética electrónica (EPR) en la que las ondas acústicas en lugar de las electromagnéticas son absorbidas por la muestra estudiada. La APR fue predicha teóricamente en 1952, independientemente por Semen Altshuler y Alfred Kastler , [1] [2]y fue observado experimentalmente por WG Proctor y WH Tanttila en 1955. [3] [4]
Historia
Después del descubrimiento de EPR en 1944, Evgeny Zavoisky predijo que el fenómeno de resonancia no debería restringirse a la absorción de radio o microondas, sino que podría extenderse a las ondas sonoras. Esta idea fue desarrollada teóricamente por su colaborador Semen Altshuler en 1952 e independientemente por Alfred Kastler; mientras que Altshuler informó el efecto sobre los espines de electrones, Kastler calculó un sistema de espín nuclear. La primera detección experimental de la APR se informó en 1955 utilizando núcleos de 35 Cl en monocristales de clorato de sodio . Este trabajo de APR nuclear se extendió a APR de electrones en 1959. [5] Más tarde, Kastler y Charles Townes propusieron más aplicaciones de APR a la polarización nuclear y máseres acústicos . [4]
Mecanismo
El efecto APR es muy similar al EPR: cada electrón o núcleo, ya sea libre o sólido, tiene un momento magnético y un espín asociado . El giro puede tomar valores enteros o medios enteros, por ejemplo, 1/2, 1, 3/2, etc., y los componentes magnéticos correspondientes m s = ± 1/2 , ± 1, ± 3/2 , etc. Aquí, los niveles para los valores de giro positivo y negativo están degenerados, es decir, tienen energías iguales. Tras la aplicación de un campo magnético externo, esos espines se alinean a lo largo del campo o frente a él; en términos de diagrama de energía, los niveles de energía se dividen como se muestra en la figura. Si una onda de sonido con cierta energía cuántica E irradia este sistema de espín, a cierto valor de campo magnético, cuando E es igual a la división magnética ΔE, se produce la absorción resonante del sonido, que es el efecto APR. [4]
Tanto en EPR como en APR, la energía absorbida se transfiere a la red a través de la relajación de espín-fonón. Sin embargo, mientras que en EPR este proceso es de segundo orden y, por lo tanto, implica dos fonones, la relajación sólo requiere un fonón en APR y, por tanto, es mucho más rápida. Esto afecta la forma lineal de la resonancia y su dependencia de la temperatura y permite probar la relajación de la red de espín de manera diferente en EPR y APR. [4]
Configuración experimental
La APR se mide comúnmente utilizando la técnica de eco pulsado a altas frecuencias de sonido del orden de 100 MHz a 100 GHz. Dos lados opuestos de un cristal estudiado están pulidos a espejo y paralelos entre sí, y un cristal piezoeléctrico está unido a un lado. Genera una onda de ultrasonido que se detecta después de múltiples rebotes entre los lados planos, y la atenuación de la señal sirve como medida de la absorción resonante. El cristal está ubicado dentro del imán capaz de proporcionar un campo estático correspondiente a la frecuencia aplicada. Para un electrón con espín 1/2 y el factor de división de los niveles de energía (el llamado factor de división espectroscópico g) g = 2, el campo requerido es 33–33000 Gauss para frecuencias 100 MHz - 100 GHz. [6]
Referencias
- ^ Boris I. Kochelaev (1995). El comienzo de la resonancia paramagnética . World Scientific . pag. 100. ISBN 981-02-2114-2. CS1 maint: parámetro desalentado ( enlace )
- ^ SA Altshuler (1952). Física soviética Doklady (en ruso). 85 : 1235.CS1 maint: publicación periódica sin título ( enlace )
- ^ Proctor, W .; Tanttila, W. (1955). "Saturación de niveles de energía de cuadrupolo eléctrico nuclear por excitación ultrasónica". Revisión física . 98 (6): 1854. Código Bibliográfico : 1955PhRv ... 98Q1854P . doi : 10.1103 / PhysRev.98.1854 .
- ^ a b c d SA Altshuler ; BI Kochelaev ; AM Leushin (1961). "Absorción paramagnética del sonido" . Uspekhi de física soviética (en ruso). 75 (3): 459. CS1 maint: parámetro desalentado ( enlace )
- ^ Jacobsen, E .; Shiren, N .; Tucker, E. (1959). "Efectos de ultrasonidos de 9.2-kMc / seg en resonancias de espín de electrones en cuarzo". Cartas de revisión física . 3 (2): 81. Bibcode : 1959PhRvL ... 3 ... 81J . doi : 10.1103 / PhysRevLett.3.81 .
- ^ Акустический парамагнитный резонанс (en ruso)