Развитие методов исследования нестационарных откликов в магнитоупорядоченных материалах и сверхпроводниках

Ученый секретарь диссертационного

кандидат физико-математических наук, с.н.с.

А.П. Щербаков

Выбор магнитоупорядоченных веществ в качестве образцов продиктован тем, они занимают значительное место в электронной технике, в том числе, функциональной электронике, обеспечивая во многом ее прогресс. Другой объект исследований - сверхпроводники - является предметом пристального внимания специалистов из разных областей, от теоретической физики до материаловедения и электротехники. Последнее связано, с одной стороны, с большими потенциальными возможностями сверхпроводников, а с другой, с тем, что они, несмотря на огромное количество посвященных им трудов, изучены все же неполно – достаточно сказать, что механизм высокотемпературной сверхпроводимости на сегодняшний день неизвестен. Одновременно с новыми результатами фундаментальных работ появляются также новые материалы, или открываются сверхпроводящие свойства у материалов уже известных. К числу последних относится диборид магния, демонстрирующий весьма необычные свойства, изучение которых может очень многое дать для понимания сверхпроводимости в целом. Применение к перечисленным выше типам соединений методики, способной предоставить новую информацию об их параметрах, необходимо как для создания или совершенствования теории, так и в практических целях.

Упорядоченные электронные состояния конденсированной среды – магнетизм и сверхпроводимость - во многом сходные явления. Известно, например, что в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП) переход от одного из них к другому зависит лишь от степени насыщенности материала кислородом, что приводит к появлению присущей данным соединениям диаграммы, отражающей характер возникающего порядка. Более частным, но очень важным является вопрос о сосуществовании в ВТСП магнетизма и сверхпроводимости. По указанным выше причинам получение сведений об особенностях поведения и параметрах материала с тем или иным типом порядка, или же с их сочетанием, представляет для современной науки исключительный интерес. Как будет видно из дальнейшего, эта задача в целом ряде случаев может решаться с помощью близких по экспериментальной реализации способов, связанных единым подходом, основанном на изучении нестационарных откликов. Данные отклики представляют собой слабые импульсные сигналы, возбужденные в некотором веществе, и по характеристикам очень похожие (независимо от их природы, они, как правило, имеют длительности порядка нескольких микросекунд и соизмеримые амплитуды). Поэтому техника проведения опытов, как при наблюдении нестационарного ЯМР, так и в случае регистрации откликов, обязанных своим происхождением упругим колебаниям, принципиально не различается – в целом она основана на импульсном радиоспектрометре, который, конечно, может работать в разных режимах и в ряде случаев дополняться аппаратурой, позволяющей выполнить специальные измерения.

Механизмы же нестационарных откликов, под которыми понимается реакция физической системы на импульсное воздействие в виде сигналов индукции и эха (а также исследованного в диссертации сигнала импульсной параметрической генерации, рассматриваемого в качестве отклика особого вида), являются разными. Хорошо известны спиновые эхо и индукция (нестационарный ЯМР), акустические отклики (фононное эхо) и многие другие. Основное внимание в настоящей работе уделено сигналам магнитоакустической природы, как обладающим высокой степенью общности (они возникают и в магнитоупорядоченных, и в сверхпроводящих веществах), а также тем из них, которые обусловлены связью упругой и спиновой подсистем. Ниже будет показано, что именно в области взаимодействия колебаний ядерных магнитных моментов и ультразвука возникают новые эффекты, достаточно отличающиеся от традиционного ядерно-магнитоакустического резонанса, которые позволяют изучить свойства материала и измерить некоторые его параметры. Сходство в поведении откликов различного типа дает возможность во многом рассматривать их с единых позиций.

При разработке методик регистрации сигнала какого бы то ни было происхождения очень часто одним из основных является вопрос о возможности увеличить его интенсивность. Особенно это касается сигналов эха и индукции рассмотренного выше типа, которые, как правило, весьма слабы. В рамках настоящей работы особое значение имеет исследование круга явлений, позволяющих осуществить параметрическое воздействие и тем самым усилить нестационарные акустические отклики, выделив их на фоне других сигналов в веществах с сильной магнитоупругой связью.

Среди актуальных вопросов, связанных с применением магнитоупорядоченных материалов, можно назвать задачу исследования механизма фотомагнитного эффекта, заключающегося в изменении магнитных параметров вещества под действием света. Его возможные приложения в настоящее время широко обсуждаются в научной литературе в связи с рассмотрением различных вариантов оптической записи информации на магнитный носитель. Хотя само явление в таких образцах, как, например, борат железа, известно давно и в некоторых отношениях исследовано достаточно подробно, его механизм, а также связь с теми или иными фотоактивными центрами, изучены явно недостаточно. Магнитометрия, которая преимущественно поставляла данные для построения модели этого явления, представляет собой интегральную методику, и не может ответить на некоторые вопросы, например, о поведении намагниченностей отдельных подрешеток под действием света. Использование ЯМР способно дать сведения, которые нужны для уточнения механизма явления, на более локальном уровне и, (в сочетании с другими экспериментами) обеспечить получение информации, необходимой для установления природы ответственных за него центров.

Помимо развития методик исследования материалов, у данной работы имеется еще один аспект: создание новых подходов к обработке импульсной информации на основе одной из разновидностей нестационарных откликов - явления эха. Если сигналы такого типа, наблюдаемые в радиочастотном диапазоне, в настоящее время могут рассматриваться в качестве перспективных только для ограниченных применений, фотонные отклики являются весьма многообещающими. В то же время самые общие свойства нестационарных откликов сходны, что дает возможность изучать их, используя, например, спиновое эхо, и распространяя далее результаты на все другие виды эхо-сигналов. При этом, какое бы эхо не использовалось, всегда возникает проблема мешающих откликов и, соответственно, появляется задача их подавления. Ранее она решалась лишь для некоторого класса сигналов в конкретных экспериментальных условиях. Таким образом, рассмотрение принципов управления эхо-процессорами, основанных на универсальных, то есть не зависящих от природы откликов соотношениях, которые позволяют совершать над выходными сигналами большое количество различных преобразований (в том числе, дает возможность подавлять их определенную группу), несомненно, представляется актуальным.

Целью диссертационной работы является выполнение экспериментальных исследований нестационарных откликов – сигналов эха и индукции магнитоакустической и спиновой природы в системах с магнитным порядком и сверхпроводимостью, создание на этой основе методик изучения материалов, в которых реализуются указанные состояния, а также развитие общего подхода к управлению выходными сигналами эхо-процессоров для расширения возможностей обработки информации в этих устройствах.

Для достижения данных целей необходимо решить следующие задачи:

1. 
   Создать на базе радиоспектроскопического оборудования установку, позволяющую проводить эксперименты по регистрации нестационарных откликов магнитоакустической и спиновой природы, в том числе, с использованием импульсов, оказывающих параметрическое воздействие на образец.
   
2. 
   Изучить импульсные нестационарные отклики (сигналы индукции, параметрического усиления и эха) магнитоакустической природы в магнитоупорядоченных веществах с сильной магнитоупругой связью.
   
3. 
   Выполнить исследование эффектов, возникающих в магнитоупорядоченных кристаллах в области взаимодействия упругой и ядерной спиновой систем.
   
4. 
   Реализовать параметрическое воздействие на магнитоупорядоченные материалы и исследовать возможность его использования для усиления нестационарных откликов.
   
5. 
   Исследовать эффективность применения нестационарного ЯМР для получения данных о свойствах фотомагнитного эффекта в борате железа.
   
6. 
   Разработать бесконтактный метод измерения магнитных параметров сверхпроводящих материалов (ВТСП).
   
7. 
   Исследовать физическую природу и возможности применения радиочастотных откликов в сверхпроводниках для изучения характеристик ВТСП, содержащих магнитные ионы.
   
8. 
   Провести исследование особенностей формирования фононного эха в дибориде магния.
   
9. 
   Разработать общие принципы управления выходными сигналами эхо-процессоров и на этой основе создать схему селекции сигналов спинового эха ⁵⁷Fe в литиевом феррите.
   

1. 
   Обнаружено явление магнитоакустического параметрического эха на собственных колебаниях кристалла с сильной магнитоупругой связью. Изучены амплитудные и частотные свойства этого сигнала.
   
2. 
   Впервые наблюдался и был исследован эффект ядерного магнитоупругого резонанса – неоднородного возбуждения ядерной спиновой системы через подсистему магнитоупругих колебаний образца, обладающий собственным коэффициентом усиления и динамическим сдвигом частоты. С его помощью измерено сверхтонкое поле, наводимое ядерной намагниченностью на электронную подсистему.
   
3. 
   Показано, что отклик в виде ядерного магнитоупругого резонанса представляет собой колебания акустической природы, которые могут быть параметрически усилены. Установлено, что в условиях сильной связи ядерной спиновой и магнитоупругой подсистем включение дополнительного параметрического воздействия приводит к появлению эха на связанных ядерно-упругих колебаниях.
   
4. 
   Впервые наблюдалось фононное эхо в высокотемпературных сверхпроводниках, содержащих магнитные ионы, что позволило получить сведения об особенностях данных соединений.
   
5. 
   Методика, использующая фононное эхо, применена к изучению диборида магния, что является первым ультразвуковым исследованием щели в электронном спектре этого материала.
   
6. 
   Выполнено систематическое исследование фотомагнитного эффекта в борате железа методом ЯМР. Прямыми экспериментами установлена природа фотомагнитных центров в этом веществе.
   
7. 
   Предложены новые принципы управления выходными сигналами эхо-процессоров, базирующиеся на универсальных соотношениях для нестационарных откликов в различных физических системах.
   

• 
  XVII конференции по физике магнитных явлений (Донецк, 1985);
  
• 
  IX Школе Ампер (IX Ampere School) (Новосибирск, 1987);
  
• 
  I Всесоюзном семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Харьков, 1988);
  
• 
  II Всесоюзной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости (Киев, 1989);
  
• 
  XII Всесоюзной школе по магнитному резонансу (Пермь, 1991)
  
• 
  IV Симпозиуме северных стран по сверхпроводимости (IV Nordic Symposium on Superconductivity) (Варберг, Швеция, 1994);
  
• 
  XII Международном семинаре по критическим токам в сверхпроводниках (XII International Workshop on Critical Currents in Superconductors) (Альпбах, Австрия, 1994);
  
• 
  IX Латиноамериканском конгрессе по науке о поверхности и ее приложениям (IX Latin American Congress on Surface Science and its Applications) (Гавана, Куба, 1999);
  
• 
  Международном конгрессе по исследованию материалов (International Materials Research Congress) (Канкун, Мексика, 1999);
  
• 
  V Симпозиуме по физике материалов (V Simposio en Fisica de Materiales) (Энсенада, Мексика, 2000);
  
• 
  Московском международном симпозиуме по магнетизму (Moscow International Symposium on Magnetism) (Москва, 2002);
  
• 
  Международном симпозиуме и летней школе “Ядерный магнитный резонанс в конденсированных средах” (International Symposium and Summer School “Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter”) (Санкт-Петербург, 2004);
  
• 
  Международном симпозиуме и летней школе “Ядерный магнитный резонанс в конденсированных средах” (International Symposium and Summer School “Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter”) (Санкт-Петербург, 2005);
  
• 
  Семинаре по функциональным материалам (Workshop on Functional Materials) (Афины, Греция, 2005);
  
• 
  Международном симпозиуме и летней школе “Ядерный магнитный резонанс в конденсированных средах” (International Symposium and Summer School “Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter”) (Санкт-Петербург, 2006);
  
• 
  Международном симпозиуме и летней школе “Ядерный магнитный резонанс в конденсированных средах” (International Symposium and Summer School “Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter”) (Санкт-Петербург, 2007);
  
• 
  Симпозиуме Северного сообщества по сверхпроводимости (NEMS symposium) (Науво, Финляндия, 2007);
  
• 
  Конференции по магнитному резонансу EUROMAR-2008 (Magnetic Resonance Conference) (Санкт-Петербург, 2008);
  
• 
  Симпозиуме Северного сообщества по сверхпроводимости (NEMS symposium), (Бакагорден, Швеция 2008).
  

Работа содержит 49 рисунков, 5 таблиц и 225 наименований в списке литературы. Ее полный объем - 272 страницы.

1. 
   В материалах c сильными магнитоупругими свойствами существуют нестационарные отклики акустической природы в виде сигналов индукции, параметрической генерации и эха, формирующихся на собственных колебаниях кристалла. На их основе создана методика измерения акустического затухания и магнитокристаллической анизотропии вещества.
   
2. 
   Нестационарные магнитоакустические отклики, формирующиеся на собственных колебаниях кристалла, обладают свойством усиливаться под действием импульсов на удвоенной несущей частоте. Характеристики магнитоакустического параметрического эха позволяют применять его в устройствах обработки импульсной информации (эхо-процессорах).
   
3. 
   В веществах с сильной магнитоупругой связью в области взаимодействия акустической и ядерной спиновой систем, наблюдается эффект ядерного магнитоупругого резонанса, характеризующийся собственными коэффициентом усиления и динамическим сдвигом частоты. Это впервые обнаруженное явление позволило определить поле сверхтонкого взаимодействия, которое возникает вследствие воздействия ядерной спиновой системы на электронную.
   
4. 
   Радиочастотное эхо в высокотемпературных сверхпроводниках имеет магнитоакустическую ангармоническую природу и является способом бесконтактного возбуждения и регистрации ультразвука. С его помощью измерено температурное поведение затухания упругих колебаний и выполнена оценка величины щели в высокотемпературных сверхпроводниках, содержащих магнитные ионы, а также в дибориде магния.
   
5. 
   Методом ядерного магнитного резонанса в борате железа регистрируются оптически индуцированные эффекты: изменение магнитокристаллической анизотропии и динамическое уменьшение подрешеточной намагниченности под действием света. Фоточувствительные центры, ответственные за эти явления, связаны с существованием в кристалле ионов двухвалентного железа.
   
6. 
   С использованием амплитудно-фазовых свойств сигналов эха и индукции, общих для всех откликов данного типа, создана универсальная методика временной селекции выходныx сигналов эхо-процессоров.
   

Основным оборудованием был радиоспектрометр – прибор, позволяющий возбуждать, усиливать и регистрировать слабые импульсные сигналы радиодиапазона (нестационарные отклики исследуемого вещества). Их амплитуда, вне зависимости от природы, т.е. от того, имел сигнал магнитоакустическое происхождение, или излучался с ядерной спиновой системой, была приблизительно одинакова, и составляла единицы или десятки микровольт на входе приемной части установки. Для воздействия на образец использовались радиочастотные (РЧ) импульсы с длительностями ~ 1 ÷ 10 мкс (в отдельных случаях – до сотен микросекунд), характерные времена сигналов эха и индукции изменялись в пределах 1 ÷ 100 мкс. Несущие частоты составляли десятки мегагерц. Радиоспектрометр был дополнен специальным параметрическим каналом – устройством формирования импульсов на удвоенной несущей частоте . Система позволяла создавать многоимпульсные последовательности с возможностью подавать импульсы и в различные моменты времени, и с раздельным регулированием амплитуд по каналам.

В ряде случаев (при исследовании легкоплоскостных антиферромагнетиков) принципиальную роль играли способ размещения образца и геометрия экспериментов, показанные на рис. 1. Предусматривалась возможность расположения образца в изолирующей ампуле, так как существенное влияние на характер откликов оказывала внешняя среда. Монокристаллические образцы, плоскость которых совпадала с плоскостью легкого намагничивания, ориентировались относительно внешних полей таким образом, как показано на рис 1-3 ( – РЧ магнитное поле резонансного импульса, – РЧ магнитное поле параметрического импульса, – постоянное магнитное поле). РЧ поля создавались системой скрещенных катушек, рис 1-4. Вектор поля можно было вращать без выхода из плоскости.

Фононное эхо в сверхпроводниках изучалось на порошкообразных материалах. Схема опытов в этом случае была проще: последовательности РЧ импульсов или подавались на катушку, ось которой была перпендикулярна , и в которой размещалась кварцевая ампула с образцом.

Эксперименты проводились при температурах, изменяемых от гелиевых (2 К) до комнатных, магнитные поля доходили до 50 кЭ.

К дополнительным установкам, использованным в работе, относились оптическая система (позволявшая регистрировать сигналы нестационарного ЯМР одновременно с освещением образца), и система измерения магнитных характеристик вещества с помощью датчика Холла.

В работе были изучены магнитоупорядоченные материалы и сверхпроводники. Первую группу составили антиферромагнетики со слабым ферромагнетизмом и анизотропией типа ”легкая плоскость” – FeBO₃ и-Fe₂O₃, а также феррит Li_0.5Fe_2.5O₄, во вторую вошли ВТСП (YBa₂Cu₃O_7-δ, Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_y GdBa₂Cu₃O_7-δ, YBa₂Cu_3-xFe_xO_7-δ, Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O_y) и диборид магния (MgB₂).

В третьей главе представлены результаты изучения нестационарных откликов, возбужденных в АФЛП FeBO₃ и -Fe₂O₃ импульсами на частотах и , [1 – 7]. Эти сигналы (индукция, эхо, и некоторые другие, обнаруженные в настоящей работе) имеющие магнитоакустическую природу, рассмотрены как информативный способ изучения свойств материалов в широком частотном диапазоне от нескольких десятков до сотен мегагерц. Воздействие оказывалось импульсами РЧ магнитного поля, несущая частота которых соответствовала обычному либо параметрическому резонансу упругих колебаний образца. В силу существования сильного магнитоупругого взаимодействия, указанные вещества представляли собой удобные объекты для отработки связанной с регистрацией нестационарных откликов методики.

Поле РЧ импульса , приложенное к намагниченному до состояния насыщения кристаллу АФЛП приводило к возникновению в нем магнитоупругой волны (при этом наиболее эффективной, с точки зрения интенсивности генерируемого звука, геометрией эксперимента являлась показанная на рис. 1-3). В образце в виде тонкой пластинки таким образом могли быть возбуждены собственные колебания, регистрируемые по спадающему по окончании импульса сигналу индукции. Его характер сильно зависел от того, какая акустическая нагрузка оказывалась на образец. Если он находился в непосредственном контакте с демпфирующей (например, криогенной) жидкостью, подавлялись все моды, кроме основной, отвечающей размерному резонансу по толщине, которая таким образом могла быть легко выделена и изучена. Частотой резонанса , в соответствии с известными свойствами АФЛП, было легко управлять внешним постоянным магнитным полем . Модуляция импульсом на частоте оказывала на образец, являющийся акустическим резонатором, параметрическое воздействие. Оно приводило к усилению уже существующих колебаний, либо, при достаточных длительности/амплитуде импульса, к возникновению параметрической генерации ультразвука, не требующей затравочного сигнала. Последний вариант был удобен тем, что позволял проводить измерения, на которые не влияло ”мертвое время” регистрирующей системы, поскольку частота лежала за пределами полосы приемного устройства, и его перегрузка сильным возбуждающим импульсом отсутствовала. Измерение временных параметров и ориентационных зависимостей нестационарных откликов данного типа позволило определить добротность нагруженного образца и поле его магнитокристаллической анизотропии в базисной плоскости. Была также установлена величина инкремента параметрического усиления.

Снятие акустического демпфирования кардинально изменяло характер откликов. В этом случае индукция представляла собой затухающие за более длительное время нерегулярные осцилляции, соответствующие одновременному возбуждению многих мод и наблюдающиеся непрерывно во всем диапазоне магнитных полей, при которых существенны магнитоупругие явления. Спектр магнитоакустических колебаний свободно подвешенного образца был изучен с помощью методики параметрической генерации; было установлено, что каждая мода, ранее подавленная демпфированием, так же, как и колебание, соответствующее основному размерному резонансу, управляется магнитным полем, то есть, было обнаружено, что собственные колебания ненагруженного кристалла представляют собой неоднородно уширенную систему осцилляторов, частоты которых зависят от внешнего воздействия. В такой системе могут образовываться отклики в виде сигналов эха.

Экспериментально сигналы магнитоакустического параметрического эха наблюдались в тонких монокристаллах FeBO₃ при отсутствии демпфирования и подаче на образец импульсной последовательности . Механизм возникновения такого отклика поясняется схемой, показанной на рис. 2. Здесь изображены: а) временная диаграмма возбуждающей импульсной последовательности; б) амплитуды различающихся по частоте колебаний неоднородно уширенного спектра на комплексной плоскости; в) поведение отдельной (усиливающейся под действием параметрического импульса гармоники ; и г) плоскость (), на которой показано изменение фаз гармоник во времени. (Обозначения длительностей импульсов и других характерных времен ясны из рисунка.) Из схемы видно, что после резонансного возбуждения происходит расфазировка колебаний, и после исчезновения создаваемой ими суммарной переменной намагниченности сигнал индукции перестает наблюдаться. Отдельные гармоники, однако, продолжают эволюционировать, убывая с характерным временем затухания ультразвука. Воздействие на них поданного в момент времени параметрического импульса оказывается избирательным и зависящим от соотношения фаз: часть их усиливается, другие, с фазой, отличающейся на , ослабляются; произвольная гармоника может быть разложена на усиливаемую и ослабляемую составляющие. Дальнейшая эволюция происходит таким образом, что, как это следует из рис. 2г, в момент времени , усиленные и ослабленные составляющие складываются, порождая, вследствие разницы их величин, ненулевую намагниченность, индуцирующую эхо-сигнал.

С использованием данной модели было получено выражение для амплитуды эхо-сигнала :

. (1)

Здесь - параметр, определяющийся интенсивностью резонансно возбужденных магнитоупругих колебаний, - параметрический инкремент (зависящий от характеристик материала и амплитуды второго импульса ), - время затухания ультразвука. Было также установлено, что в малосигнальном приближении (т.е. таком, когда амплитуда отклика линейно зависит от амплитуд возбуждающих импульсов), для фурье-образа эха можно считать справедливым соотношение

где и - фурье-образы резонансного и параметрического импульсов соответственно, - функция формы линии магнитоакустического резонанса, - знак комплексного сопряжения. Выражение (2) во временнόй области имеет форму свертки, что позволяет проводить операции обработки входных сигналов.

Модель формирования параметрического эхо-сигнала была всесторонне проверена экспериментами. Согласно (1) интенсивность этого отклика экспоненциально растет с увеличением – это связано с процессом параметрической перекачки энергии из второго импульса в эхо и означает, что природа явления принципиально связана с некоторым усилительным механизмом. Данный эффект наблюдался на опыте. Подача дополнительного импульса на частоте приводила к возникновению еще одного эхо-сигнала; параметры этого воздействия можно было подобрать таким образом, что амплитуда вторичного эха становилась больше, чем первичного. Это иллюстрируется рис. 3, на котором показано, как изменяется отношение амплитуд этих сигналов в зависимости от длительности второго параметрического импульса . Частотные характеристики , снятые в режиме малого отклика, продемонстрировали удовлетворительное соответствие выражению (2).

С помощью параметрического эха было измерено время затухания упругих мод в свободно подвешенном монокристалле, которое возросло по сравнению с соответствующим параметром демпфированного образца более, чем на порядок. Оценка добротности колебаний в этом случае дала величину ~ 10⁴.

Таким образом, в третьей главе приводятся данные исследования физических явлений в магнитоупругой системе АФЛП, которые могут быть положены в основу создания методик исследования материалов. Описан впервые обнаруженный в работе эффект – параметрическое эхо на собственных магнитоакустических колебаниях кристаллов, свойства которого делают возможным его использование в устройствах функциональной электроники.

В четвертой главе рассматривается ситуация, в которой магнитоупругие колебания приводится во взаимодействие с ядерной намагниченностью, [4, 8 – 12]. На эксперименте это достигается следующим образом: несущая частота импульсов выставляется равной, или близкой к частоте ядерного магнитного резонанса (ЯМР) , а период повторения возбуждающей последовательности делается таким, чтобы насыщение в ядерной спиновой системе отсутствовало. Поскольку опыты выполнялись на кристаллах FeBO₃, и наблюдался ЯМР ⁵⁷Fe, = 75.4 МГц (температура жидкого азота, = 77 К).

Согласно результатам третьей главы, собственной частотой магнитоакустического резонатора (т.е. образца) можно управлять с помощью внешнего постоянного магнитного поля , и, при заданной частоте , изменяя , кристалл легко привести в условия, близкие к резонансным (при демпфировании дополнительных мод криогенной жидкостью). Показано, что в данном случае ядерная спиновая система будет возбуждаться пространственно неоднородным образом через магнитоупругую волну, причем для описания этого взаимодействия можно ввести коэффициент усиления и динамический сдвиг частоты (ДСЧ) :

Здесь - значение поля, при котором для частоты достигается резонанс, - сверхтонкое поле на ядре магнитного иона, - обменно-усиленное поле сверхтонкого взаимодействия (эффективное поле, создаваемое ядерной намагниченностью , и воздействующее на электронную спиновую систему: , где - постоянная сверхтонкого взаимодействия), - ширина магнитоакустического резонанса, выраженная в единицах поля. Из выражений (3) видно, что параметры, характеризующие эффект, отличаются от аналогичных, используемых в обычном ЯМР в магнитоупорядоченных материалах. Оценки показали, что их величина может быть значительно больше, чем в последнем случае. Излучение ядерной спиновой системы также будет происходить через возбуждение магнитоупругой волны неоднородной прецессией ядерной намагниченности, при этом затухание сигнала будет зависеть от поля , и быстро нарастать с приближением . Совокупность данных особенностей позволила выделить описываемое явление в особый вид ядерного магнитоакустического резонанса – ядерный магнитоупругий резонанс (ЯМУР).

Поскольку сигнал ЯМУР представляет собой индуцированные движением ядерной намагниченности магнитоупругие колебания, он, так же, как и любой другой отклик такой природы, может быть усилен параметрическим импульсом на удвоенной несущей частоте. Этот эффект наблюдался [9], и был использован для изучения затухания [11]. Величина усиления достигала ~ 10².

Анализ осциллирующего сигнала позволил получить сведения обо всех характеристиках ЯМУР: коэффициенте усиления, зависимости ДСЧ от относительной величины ядерной намагниченности и скорости релаксации, [4, 9, 10], то есть было осуществлено полное экспериментальное подтверждение модели явления. В качестве примера на рис. 6 показаны хорошо согласующиеся с теорией зависимости и от магнитного поля.

При снятии акустического демпфирования взаимодействие между магнитоупругими волнами и ядерными спинами становится настолько сильным, что в области пересечения соответствующих дисперсионных кривых система совершает единое ядерно-упругое колебание, у которого имеется зависимость частоты от внешнего магнитного поля. Последнее обстоятельство давало возможность возбуждать ядерно-упругое параметрическое эхо по схеме, рассмотренной в третьей главе. Одно из проявлений данного эффекта состояло в увеличении времени релаксации, измеренному по эхо-сигналу, [12].

Нестационарный ЯМР был использован в работе для изучения ФМЭ в FeBO₃. Этот материал до высоких температур ( = 348 К) сохраняет магнитную упорядоченность и прозрачность в видимом диапазоне, что делает его уникальным модельным объектом для отработки методов исследования индуцированных светом изменений намагниченности. Кроме того, он представляет самостоятельный интерес как материал для записи оптической информации. Было установлено, что при освещении кристалла происходит сдвиг линии ЯМР и увеличение интенсивности отклика, связанное с понижением поля магнитокристал-лической анизотропии (это иллюстрируется рис. 7). Первый из эффектов (указывающий на изменение подрешеточной намагниченности), существует только в процессе освещения, а второй носит долговременный характер (это наблюдалось также акустическим методом - по длительному сохранению измененного порога параметрической генерации). В сочетании с изучением спектров пропускания образцов, отожженных в вакууме при различных температурах, с помощью ЯМР удалось показать, что фоточувствительные центры, ответственные за ФМЭ, содержат ионы двухвалентного железа.

Пятая глава диссертации посвящена описанию методики, разработанной для измерения магнитных параметров сверхпроводящих материалов. Магнитное поле принципиально важно при образовании нестационарных откликов сверхпроводников. В ВТСП, в силу сложности строения этих материалов, процесс намагничивания отличается рядом важных специфических черт, которые при рассмотрении в данных веществах эффектов магнитоакустической природы должны быть приняты во внимание. Необходимость характеризации образцов и выяснения роли тех особенностей ВТСП, которые существенны для процесса формирования в этих материалах фононного эха, поставили задачу отдельного изучения их магнитных свойств. В настоящей работе эти исследования рассматривались как вспомогательные, однако они дали важную информацию о параметрах вещества, имеющую также самостоятельное значение.

Измерения проводилось датчиком Холла, расположенным в непосредственной близости от поверхности образца, и измеряющим индукцию при приложении внешнего поля , [16 – 18]. Анализ кривых намагничивания , проведенный на основе модели критического состояния, позволил получить значения плотности магнитных критических токов и их зависимости от Было показано, что, использование понятия размагничивающих факторов в случае неоднородного проникновения магнитного потока в образец не является строгим; для вычисления получена приближенная формула.

Особенности поведения магнитного потока в образцах YBa₂Cu₃O_7-δ изучены как на поликристаллах, так и на модельных объектах, в качестве которых использованы тонкие сверхпроводящие пленки, [19 – 23]. Релаксация захваченного потока (регистрируемая по индукции ) под действием транспортного тока дала возможность исследовать эффективный потенциал пиннинга . Эта методика иллюстрируется рис. 8. Введение дополнительного внешнего воздействие на вихри захваченного потока позволило изучить статистические свойства центров пиннинга и распределение магнитных критических токов в ВТСП различной морфологии. Получены численные оценки для сил пиннинга в некоторых практически важных случаях. Некоторые примеры таких данных сведены в Таблицу (в ней
ТАБЛИЦА