Ferromagnetisk resonans

FMR uppstår genom den precessionella rörelsen av den (vanligtvis ganska stora) magnetiseringen M → {\displaystyle \scriptstyle {\vec {M}}} av ett ferromagnetiskt material i ett externt magnetfält H → {\displaystyle \scriptstyle {\vec {H}}} . Magnetfältet utövar ett vridmoment på provets magnetisering som gör att de magnetiska momenten i provet blir förskjutna. Magnetiseringens precessionsfrekvens beror på materialets orientering, magnetfältets styrka samt provets makroskopiska magnetisering; den effektiva precessionsfrekvensen hos ferromagneten har ett mycket lägre värde än den precessionsfrekvens som observeras för fria elektroner i EPR. Dessutom kan linjebredden hos absorptionstopparna påverkas kraftigt både av dipolära smalnande och utbytesbreddande (kvanteffekter) effekter. Dessutom orsakas inte alla absorptionstoppar som observeras i FMR av precessionen av elektronernas magnetiska moment i ferromagneten. Därför är den teoretiska analysen av FMR-spektra mycket mer komplex än den av EPR- eller NMR-spektra.

Den grundläggande uppställningen för ett FMR-experiment är en mikrovågsresonant kavitet med en elektromagnet. Resonanskaviteten är fixerad vid en frekvens i det superhöga frekvensbandet. En detektor placeras i slutet av kaviteten för att detektera mikrovågorna. Det magnetiska provet placeras mellan polerna i elektromagneten och magnetfältet sveps medan mikrovågornas resonansabsorptionsintensitet detekteras. När magnetiseringens precessionsfrekvens och den resonanta kavitetsfrekvensen är desamma, ökar absorptionen kraftigt vilket indikeras av en minskning av intensiteten vid detektorn.

Den resonanta absorptionen av mikrovågsenergi orsakar dessutom en lokal uppvärmning av ferromagneten. I prover med lokala magnetiska parametrar som varierar på nanometerskala används denna effekt för rumsberoende spektroskopiundersökningar.

Resonansfrekvensen hos en film med parallellt applicerat externt fält B {\displaystyle B} ges av Kittel-formeln:

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

där M {\displaystyle M} är ferromagnets magnetisering och γ {\displaystyle \gamma } är det gyromagnetiska förhållandet.