Ferromagnetische resonantie

FMR ontstaat door de precessiebeweging van de (meestal vrij grote) magnetisatie M → {{Displaystyle \scriptstyle {\vec {M}}} van een ferromagnetisch materiaal in een extern magneetveld H → {{Displaystyle \scriptstyle {\vec {H}}} . Het magneetveld oefent een koppel uit op de magnetisatie van het monster, waardoor de magnetische momenten in het monster precessie gaan vertonen. De precessiefrequentie van de magnetisatie hangt af van de oriëntatie van het materiaal, de sterkte van het magneetveld en de macroscopische magnetisatie van het monster; de effectieve precessiefrequentie van de ferromagneet heeft een veel lagere waarde dan de precessiefrequentie die bij EPR voor vrije elektronen wordt waargenomen. Bovendien kunnen de lijnbreedten van de absorptiepieken sterk worden beïnvloed door zowel dipolaire vernauwing als uitwisseling-verbredende (kwantum) effecten. Bovendien worden niet alle absorptiepieken die bij FMR worden waargenomen, veroorzaakt door de precessie van de magnetische momenten van elektronen in de ferromagneet. De theoretische analyse van FMR-spectra is dus veel complexer dan die van EPR- of NMR-spectra.

De basisopstelling voor een FMR-experiment is een microgolf-resonantieholte met een elektromagneet. De resonantieholte wordt gefixeerd op een frequentie in de superhoge frequentieband. Een detector wordt aan het eind van de holte geplaatst om de microgolven te detecteren. Het magnetische monster wordt tussen de polen van de elektromagneet geplaatst en het magnetisch veld wordt gezwenkt terwijl de resonantie-absorptie-intensiteit van de microgolven wordt gedetecteerd. Wanneer de precessiefrequentie van de magnetisatie en de resonantiefrequentie van de holte gelijk zijn, neemt de absorptie sterk toe, hetgeen wordt aangegeven door een afname van de intensiteit bij de detector.

Daarnaast veroorzaakt de resonante absorptie van microgolfenergie plaatselijke verwarming van de ferromagneet. In monsters met lokale magnetische parameters die op nanometerschaal variëren, wordt dit effect gebruikt voor ruimtelijk afhankelijk spectroscopie-onderzoek.

De resonantiefrequentie van een film met parallel aangelegd extern veld B {\displaystyle B} wordt gegeven door de Kittel-formule:

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

waarbij M de magnetisatie van de ferromagneet is en γ de gyromagnetische verhouding.