La risonanza ferromagnetica

FMR nasce dal movimento precessionale della magnetizzazione (di solito abbastanza grande) M → {displaystyle \scriptstyle {\vec {M}} di un materiale ferromagnetico in un campo magnetico esterno H → {displaystyle \scriptstyle {\vec {H}} . Il campo magnetico esercita una coppia sulla magnetizzazione del campione che causa la precessione dei momenti magnetici nel campione. La frequenza di precessione della magnetizzazione dipende dall’orientamento del materiale, dalla forza del campo magnetico, così come dalla magnetizzazione macroscopica del campione; la frequenza di precessione effettiva del ferromagnete ha un valore molto più basso della frequenza di precessione osservata per gli elettroni liberi in EPR. Inoltre, le larghezze di linea dei picchi di assorbimento possono essere notevolmente influenzate sia dagli effetti di restringimento dipolare che da quelli di allargamento dello scambio (quantistico). Inoltre, non tutti i picchi di assorbimento osservati nella FMR sono causati dalla precessione dei momenti magnetici degli elettroni nel ferromagnete. Quindi, l’analisi teorica degli spettri FMR è molto più complessa di quella degli spettri EPR o NMR.

La configurazione di base per un esperimento FMR è una cavità risonante a microonde con un elettromagnete. La cavità risonante è fissata ad una frequenza nella banda delle frequenze super alte. Un rivelatore è posto all’estremità della cavità per rilevare le microonde. Il campione magnetico è posto tra i poli dell’elettromagnete e il campo magnetico è spazzato mentre l’intensità di assorbimento risonante delle microonde è rilevata. Quando la frequenza di precessione della magnetizzazione e la frequenza della cavità risonante sono uguali, l’assorbimento aumenta bruscamente, il che è indicato da una diminuzione dell’intensità al rivelatore.

Inoltre, l’assorbimento risonante dell’energia delle microonde causa un riscaldamento locale del ferromagnete. In campioni con parametri magnetici locali che variano su scala nanometrica questo effetto è utilizzato per indagini di spettroscopia spaziale dipendente.

La frequenza di risonanza di un film con un campo esterno parallelo applicato B {displaystyle B} è data dalla formula di Kittel:

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

dove M {displaystyle M} è la magnetizzazione del ferromagnete e γ {displaystyle \gamma } è il rapporto giromagnetico.