Ferromagnetische Resonanz

FMR entsteht durch die Präzessionsbewegung der (meist recht großen) Magnetisierung M → {\displaystyle \scriptstyle {\vec {M}} eines ferromagnetischen Materials in einem äußeren Magnetfeld H → {\displaystyle \scriptstyle {\vec {H}}}. Das Magnetfeld übt ein Drehmoment auf die Magnetisierung der Probe aus, das eine Präzession der magnetischen Momente in der Probe bewirkt. Die Präzessionsfrequenz der Magnetisierung hängt von der Ausrichtung des Materials, der Stärke des Magnetfelds sowie der makroskopischen Magnetisierung der Probe ab; die effektive Präzessionsfrequenz des Ferromagneten ist wesentlich niedriger als die Präzessionsfrequenz, die für freie Elektronen bei der EPR beobachtet wird. Außerdem können die Linienbreiten der Absorptionsspitzen sowohl durch dipolare Verengung als auch durch Austauschverbreiterung (Quanteneffekte) stark beeinflusst werden. Außerdem werden nicht alle Absorptionsspitzen, die bei der FMR beobachtet werden, durch die Präzession der magnetischen Momente der Elektronen im Ferromagneten verursacht. Daher ist die theoretische Analyse von FMR-Spektren weitaus komplexer als die von EPR- oder NMR-Spektren.

Der grundlegende Aufbau für ein FMR-Experiment ist ein Mikrowellenresonanzraum mit einem Elektromagneten. Der Resonanzraum ist auf eine Frequenz im Superhochfrequenzbereich eingestellt. Am Ende des Hohlraums befindet sich ein Detektor, der die Mikrowellen aufspürt. Die magnetische Probe wird zwischen den Polen des Elektromagneten platziert und das Magnetfeld wird durchlaufen, während die Intensität der Resonanzabsorption der Mikrowellen erfasst wird. Wenn die Präzessionsfrequenz der Magnetisierung und die Frequenz des Resonanzraumes gleich sind, nimmt die Absorption stark zu, was durch eine Abnahme der Intensität am Detektor angezeigt wird.

Darüber hinaus verursacht die Resonanzabsorption von Mikrowellenenergie eine lokale Erwärmung des Ferromagneten. In Proben mit lokalen magnetischen Parametern, die im Nanometerbereich variieren, wird dieser Effekt für ortsabhängige Spektroskopieuntersuchungen genutzt.

Die Resonanzfrequenz eines Films mit parallel angelegtem äußerem Feld B {\displaystyle B} ist durch die Kittel-Formel gegeben:

f = γ 2 π B ( B + μ 0 M ) {\displaystyle f={\frac {\gamma }{2\pi }}{\sqrt {B(B+\mu _{0}M)}}

wobei M {\displaystyle M} die Magnetisierung des Ferromagneten ist und γ {\displaystyle \gamma } das gyromagnetische Verhältnis ist.