Динамика и релаксация спиновых систем в твердых телах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

- о m доз

оаайдшоть <адьзог«ш

п. jígibnSgo^nü bibg^nónb e&n^nbnb bäb^ß^ogo зЕпзо6Ьоф;]*п

t

Ьдчбй^оЯпЬ jw^üoa

сгязазо обзол ьзьспель до

ЬЗпбдР« bftb*gSQ5nü ¡упбгСо^о Ô^aft.

ЬЗдцплзпЗй: 01.0^03 - fiimfingobfijd

Ii 5 ? 0 b D è ö ü D Я 6ÙU60 bíi(4)bbob enbûànjQaqi?

гегкпьп - 1593

6ù3n*)£i> ЗоЬ'^оЬз?^ büjifiogjcjnlä öo^So^fe baegSi

Оп^о^о^бодй 06bí)0¿3¿a<i

Rgnyno^jio riùhogësQbn: gnboji-aeog9ú¿n¿ob еойбяо^о^даа

gtVbnj.i-öicgSogo^nb SgySngfiQäüao •оп^тСю ùfÎPIagbnfio 0,0. бЗСЭЗ"»

о.п.ззз^за .

!pob3(f¿¿onr)b ;?aoaû sobjao^ó " ^ " --f-ib-^^í 1993 ç. ——1>ОЙОЪ<), eSnjnbnb búbjjwS^ngn tj6n;jj)fibnôo5aaE ofibga^o Ьо6оз5пдЛв1-Ьав*зЬ0вапп ЬойЗтЬ Fil 01.02 H 1 - 6 bbjnS^j) (380026, crôn^obo, п.ЗЙЗЗ^ЗС0ОЬ 0,

çnbgFéiQntb Spoftjo&o 2,00(3Бис olrj-b Зой^ппсодеЗл. b4roüa(í(5¿aon ScySg аодЪозбп^по " ' ' " ~^JJJJ2±L 1993 Ç.

bûdgnb b^ôs^ço 6903060, go'bn.iiû-ÔMioSiiojob боуЕадйд&^О!«

• ' -3 -

6з?>г»БоС,ЬоЬ ЗобпЪ^Ъ'до ЬЗоС^бо ЬоЬ<»)ОЗэ?>оЬ G¿>3o¿o0 стдоЛо^ 0 «S-37.^3300 ç>^>

oJÇÙ ЪряЭЪэпьяВаЪ t ЗойЬз^оЬб Эо-jGrool» (Ь33 )

3ft. ^«^Зо^рЬ, fino пп^ппу bç»rbob

030 ОогЛол &г> З03&0b bt>ftbo3?So

»оБдЛо ЬоЬлоЭоЪоЬ . ЬъяЬзоЪ'Зо ЬЛоС^о

tùc,? ' ''i о ?f> сю о Oí a J 3 3 ^>30 6 Ь о "J rjô n r>¿ ö J. а "»Ь 3 PI « Î f¡¿> o en ,

>*3oS O^ùft fjbo3C»ob^o bJoGo&n ^S.^foi^Go oftocH»

^о^^срзЛо SobQftot» JG^SJ^b^o 3c>n 'ЗнбоЬ ^fvji^ftoi j33£>3?>i> 06

SOïS^zbo П^ос?^^?* '-> 2 >30 63 . 3b 03

Лстз^зЪЬ ЬоЬлоЭ Эоз&ооЗ^о ¿O^O^ol- t'OGoci

Q3'.«/U л/93 36г>{/з1>з&оЬ JO^^^tf ' t^oG^/o

6?тк> 3 ft от J Э „3 73 о ¿bob orib^br-'i»») Эг-ííC/bn^U ОЬ^^^Г" 6 1л о 3 6 о, ] Я /) с о ùÇoç>i>jcb ЬфйфоЪло.лйо o^ndoob Эзол^зЬоЬ а^Э^уз&зЪ^Ь , f>c>Cj3t?f2o(í o3Í5*3O Л,с»5оЬо1?зЪг> . етс»зоЬbofroLbob Ç-oço

Я 5 ■"■Сз збеюо&о ЬоЬозЗо' ¿>ЭоЬл d^M/360

IfcaCjopafcoa cîffo^fio 3^63 OOoS б s

Îoà&Oij^fiD fi^t-.rSö^tci* bc?£ob , oV3333& Lfi^ço ЬЗобоЬ ^06030

Э^ЛОБОГЛ*^ b^Ooftol^ç 3(jf>63 T., C3"V" ЬЗсб*

^Зо&э^о ¿-О? ¿¿>8030 < ¿Ло^з^Ь b¿>'&ob ^.¿-ЗоЬ

* bÇnft^tb ¿&&D30 3^3^3173^0

C^fcoS^Gb^o Ъс>Ъ«Ь ^^ftOгЬ • ' '

Эдг^эЪ 3bíSo3 ЬЗоБ~ЬЗо5з?> ^йорэ^сд^ЭзлпЬоЬЬ ^ ^^зг^зл^я ¿»ftboVça ó¿>a¿>6óозз&о^оЬл^дБ • Ьс>^Эз оЗл*Зог>, гЗуобзЪЬ Ъо

'SoCù^iG ÇrjS.^bVnftffbùb Ой^з^^з^^Ь Otín>33ú' ЗзОз^п-ъС збстсг^- 00^33 &¿>&3obot*ri0j 83060 ЪЪззроЬ b3oGi36o о^зоЬ

boboôc/ç-nbù ЬЗоБ'ЬЗоС^бо tî^cJoofvrjani?^^^^0^ bàboo., ой^ОЗ^Лб^^йолЬо Зо^зуо, блОз^^о^

ЬобоЬЬзЪо- Зсйз^^^? "^зЗо^зт^^.^^зЬ .

5^О^•"> ^ °^ ^ пз изfi з5 оb ^ ^Í ооb -

-Ч-

Зуойо QoSob 0З0Б36 ЬоБфзЗзЪ7)о çfteMio bb3ü£übb3¿ ЭлЬЗ^лЬд^оЬ ьЬЬэЪпЬа 'йззэгдЬйоз БЛоБ'ЗэБэйэио f>3rí>,jt>¿>oooG рбет&з'■

•3at/odpoaoei< ьроь ьг>агч>оэ&г>зоь 'Sojaooopo ;>с9збоь орзлЪз »зйройозоЬ oft.tÇn&obVnft^^o b^oeobtfoj^fio r>3o6c>ôf>ftob ço Lbsi Эзстрз&оБ аоЗоаз^а^аЬ•

ftùftçù оЗоЬй йрЗпКБрл • 6оЗ %эЗпо БаЬБзбзЬо LÇftcxjo ОЗР^РЗЬоЬаизоЬ <tftaço ЬЗоБоБ да&озо 3(?йзБэРЗ?>оЬоазоЬ > оЬззз *33od(?3bo Эозос»«с1 3r><J6àobob ааБборз&зЬо • Эо&йоЭ лЗоЬалБ 5otbop3o<ïo b3&3t»6o3c»ç ^33oçoU ЗлЬБпзйовоБ "взБ^оог»-

Бд'ЗйоЗоЬ Эо%г>Бог> Зуоб bb33t,3&'3o 3;>аБо03йо feOÍ>i-i&oObob &1>$з(>эЪоЪйЪ ça ço&ùpo озЭЗЗзб^фэбзЬоЬ 'ЭзЭшЬзззд'Эо &ЗЗпрЬЬзБзЬэ?о ЗаЬЬозйоНоБ <8з6,}0°«Б <лзойоаЗо Ьл%оБ (¡¡п&ЭаЪ алЗи^зрэзл, '3CIÛ6J3OI>Î> ÇÎ> ЗпрйбойлоооЬ БоЬйоноБ

■ЗэЗг.г.6эСз&о1> SPSjiiftoPtl?" Ьобоэро 1>ЗоБ~ Э31.363СО fiopùjboooob ço ЛоостдзЬоЬ ЗпробоййоооЬ "ЗзЬУоЗ?^ ' 3 0 Ъп&озпаа Бо^оаЬзЬоЬ АлЗ^з^оо Яо6з&3£ос> БЗоБ" БЗоБэйо ço

ЬЛоБ " фм&пБзйо збшоЗй^ЭзрзЬзЬоЬ рбпзЬбоз'ЬоЬ^обзЬбоз

йоЗпзроЬзЬ^Ьийб З3060 ЬЬзэез^оБ ЭйдБо^ЗЙ"бзЪпБлБЬзи

ЬЗззоблЬ ¿пЗоо'Эо ■

роБзбойОооБ dofioœoço ^35353^0 pa çobjobsbo "ЗоЗеОа^о ЗрйпЭобзпЬБ :

1 ЗаЬЬозбпЬоЬ взБ^оооЬ ЗзопроЬ КлбВпз^Чо ^SSbOCOi Зог,Бо(>зйо 6о%г.Бг>ББоЬ вЗЗ^Збаоэйзро взовоа" bo%oG «goftSol.

ййЗпЬйЬэезЬоБ оБароЪо рг> Jo33o3ôDft3P° 3030003^36

3jü336o33$ö3p ЗоБоозЗзЬиоБ J¿f>ü омБЬЭпЬг>%з ■ йзЪо&оББзро Ьо%оБ Зо°63?о йоББЬз^ззио 3jl.336o336<53>job¿5o5 ЬОЭОЯРЗЗО ço «¡¡Ашз&йз ЬлБЗоЛоЬзЬзрол 3oobçn3bqo' бпЗзроо oc>3ùtjol»Ço63M>- ЬоЪоЬ дпйЭоБ ЗЬгчупр Зо6зз(» nab ЗпЗзБоБ ■

2' 3oq(JÖ fcpnbob доБвпвдЬэЫ» зБоззбБйгэбо БаЬз 506030 635,i>Jl'i>0ool' Зг>ЬБпз6п4оБ 3Jn63 обозьйорзЬо® ^ЗОЗРчи

0ü3&3t>0i> 3öj,GdCI36o АэЪпБоББоЬ ЬйЪоЬ щойЗоЬ язтйоо' бпЗэроц оозороБ^оБзбЬ . ЗоаБооэйо ЗЗРоЬ ¿ОЗРЗБЛБ' ЗорзЬзро

ч3р0г>3&° шоБЬЭпЬо'Зол йетдойо Э,}ЬЗзйоЭзБфСК>Б ■ оЬззз

poüafiöüOOÄ^o Зсузоборо 8о?»г,г>ЗоБаг>оБ Jû50b3a33Î>3PO-

."560300Г>6озоЬ стзпбооЬ ^?3!?3ô3&иоб •

3 ОЗ^БооаоЬ ровизбО^оБ озойооБ çob3ù6o&oa ЗоЬБгазбгЛоБ ЗЗбЛоо^Б Эозоо ¿"ЗЛо^озйо ЬоЬЗ' Бг>Кзз6зг>ол роззороБ

Г.г.&Р.пэЬ'Зо t&ù 03 оБуо^оЬ ^йуозЬдЬоЬ o,y>ftooa 3oçob ь1»г>з?>г.£,оБ З^Э^Б^зЪсЛ»

Зл^Бо^э^о iS,3?>r»bc.Sbo v ЬЗЛ'1 -

?>Болг»~ ъj 7ib(fso jf.fto SN4» '

CDO^AOI J 3 3 *>ЗЪ ОСТ ' лСЬ^ЬоЬ JOfxM ^зЗаЬззззЬо '

CJoGtDr,bc>'3oô OjbЛо^оОзЬ^^п Эг.БоозЗзЬооБ

4 ' ЛоЛ.^^р^^ ¿»ЛоЬ Зостоо^Ь оЪг^бгО дро

%г.Б«ьБЬоЬ 5о("Г'Ъ3b*3o БоБлоЭс^о /с ЬЗоБсш ■ ¿г»<)гш>зро»аа

Ъ^БаБЬ^о ЬдЪоЬ c¡r»63ol» «st^ З^п^д З^З^Б^о ' ftol»

Ь3с>6о&оа боЗ^з^дОопог» ЪаЪоЬ *333°V ЗЗЗР^Э ЬзрБс»,463^0

ÖZO&ijl^Obb Б thrift

Б ¿>633 00b рос/Зо&Болдй ¿бзЬоо'л'Эо ' БоР.ззБз^ог* 6оЗ З^плГюЪ.'/оооЬ г»4 ^З^ГО^а "З^ЗггЬЛ^Сго^ Бд^уоЬо ЗоЗоЛо а G

-о оБ Ээ^'З ЗЬобзЬ Э'.чфй.ьЬ&збоЬ l.\.'b*3c)6ol» 33C0I»

Ь*ЭоЛззЪоБ ЗоЪэ«>зос» Ь * "ftivJbribt» "

ft-ob öÄ/ofto&olr ЪзоЭо&збо J^^l/Oboû^ob ЗСЗ^Лл&З?0

'^ггл' гюолрэбо ¿оз'ЗоЛоБ "ЗзЭстЬзоза'Зо*

lOdH^^c» "ЗзЗг^йолр^э^ Э^в-Зоз ЗЗР*Э°

•r»csf>o%0(joob 03 33£0<:я б^З^/З^Э^о U-^рБоБ

¡Г.Б3 ЬЗоБэбо ЬоЬ^зЗоЬ çr. 633&GI» 3601360 t>*i1

.V /

G БоР.ззБзЬол Р/г.Э ЬоР.аздро ^зоЭл^бо Ззо^оЬ^за^Ъ З036 »£.<Soî> 5360b <1CK>GO.33Í><U> A<*»î»o ^oodpQba ороЭа'Зг/Ь

ЭоБ063380•

7' ЬобоззЬоЬ 63^Блооо^з f?« Згм*о6оЪс>оооЪз зЗб'Ь <v>*363Í>oti

S0P.33G3&00 6*3 Лз^ЬоБЬ b óbito эЗйГЬ ЪоЭос['«йс»о bob*3o6ob

t' ^ci.ifÇ'Ocr З^лбо^оЬ &о6азз&оБ ЬЗоБ" ЗзЬзбдро

г^'-./^э^зЪг» - (fciwjLciO Ш Ь»зЬо Здло 30^63 ^¿¿»Бс.о ) ЬобозоЬоЬ ЬЗоБ'ЗоЬзб^чо

бп^зБ^ц ' 0О333 Лг.^г.бо

г>о6лззЬпЬ ftjpöjboyoc» ».p.'öftoüoof4^ Ьро^л оЬзоозз fßf^nftQ bcb^oïSob

3 Б^RззБэ^oь Ы*»3 ^^oJfobù Ьобк»ззЬоЬ * Cí<4'ofto?.»c»(;oot> Зоблзо

-б-

LobùoipoL (¡a bbjùciù

Î>003ù6sft J30(>ol>ô03ûb3 • b^Só^ñnioU ^«Gabot» Boao&ôS^0 1»5оЬдйо aùbpaRob

9 йл8паЗй6оро ь boSoaojo çoSnç-çoicit'îfio 63^363 îiùftoU ъзоЬ'ЭзЬзЬзро f>3c¿3bdooot> г,лЭпьоьарлг>г> ьзб'оь Элаодбо зэ<аЬоъ ЗоблЬзЬ^о- C>o3çob ù&m?o^oï>ù& Ro&b 'блЗ ¿bii3i>3ï»ùl> Зозуоз*»6<а Ло&ЪоЬорззс'О ЬЭоЬзАо .ЗзОЬоЬбОЭзЬоЬ ea3'336í>03fi0!iol> aaböEokojoD •

10 ôbUbi>t>oL 5^03poci« . *Зззо^бпзЬоЬ ЗабоЬз^'Зо ЗЬб^Боз jrîoijçobù^où ЬоЬозЗс^о Эо&абзззсю . ЬЗо&-азЬз6з? Soeajboyaob Ь^Зоззеззош 6öBj3&3bOü-йг>3 5i>03t?P°o 3ftGií)3f<raj33e3iob ô^séa&ù aô6ù3o6o&3t>b 34s" ЬЗОБ~ЗЗЬЗ6ЗР tOPöJboooùb 3bt)&£>3 jrtf^ñf&oBúCiCíú t»oboo3ù"3o 30çf»3 ^oboS^nî-jo

* 1 ЗоБййзззро

6or>ù,ll»c»ooob * jçûbôOÔQbob c5^tj3pocto . о 3 6 с. J 3 n ^ ;; о о ci

0

дзЧЗобзйзгк» Jö6ü3c>üEoö3So Э060&3 30b ЧзЗоЬзззопо РззорзЬоЬ' Зз*ЗзО"Ьош' Ьй^э^з^йЬ odaosä bÇriftùp й^з^З^о ^3bi>bù3obo

З^ЬЗзЛоЭзбй0' J0ft'dnç' 360Э ЗоБлбззз^о OOBößObol' Í>0o&"33u3f>3po 63eöJbü(joob boRJí>6a ЗоЬйбэзро

озБ«)йзг>о1' joEoa^ofiio001' •• 03333600360'« ззоебьвоь

ùftoùr>6ö°3!?Oi> • Si>R33&3boí> i&f>3013D' 6«Э ЗоБобззо'и jo&oObftft^oooli îftçobùb oçoâ ЬобоозеезЬо çoSoEgÂo "зо?6о ззгоЬ "

РЕСПУБЛИКА ГРУЗИЯ ТЕШССДОЯ государственный университет

им. И.^авахишвили

На правах рукописи " ХАЯВАШИ ШВЕР ХУСЕЙНОВИЧ

ДОМИКА И РЕЛАКСАЦИЯ СПМНОЕЫХ СИСТЕМ В , ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

Специальность: 01.02.03 -"-радиофизика >

АВТОРЕ 5ЕГАЧ

диссертации на соисквние ученой степени доктора физико-математических наук

Тбилиси - 1993

Работа выполнен в Еатумском политехническом Институте Грузин-• скоро технического университета

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Н.П.Гиср?адэе,

доктор физико-математических наук, профессор А.И.Тугуши, доктор физико-математических наук , А.И.Угулова ■ 1

Защита диссертации состоится " /у " 1993 г.

в часов на заседании Научно-аттестаниокного совета рк 01.02 * 1-6 при Тбилисском государственном университете,

(360028, г. Тбилиси, проспект Л.Чавчавадзе, 3, Б5А)

»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТГУ

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь Научно-аттестационного совета доктор физ.-мат.наук,

профессор /д.И.Аладашвили/

Осноги теоретического огшсшшя-динамики сшшосоЯ систоки и .подиях магнитного ро-золапеа били салоашш Влохом и ргглпитп гамбсргонсм.Парсоллом и Нпундом , ШШ .

Опыты,однако яск&садо« • что как урагаюиия Клоха, так и юрия ЕПП, прони.шп оггисньая мапшпше яг.лзтгкл в кикостях и юах . во многих случаях попримонпки при описании СиИНОШХ ютом тг.г.рдих тол.В ¡кидкостях и гппях ;шоль~дипо.п>1л10 пшог.но вза'.гао/Ы1ста!Я 'усредняются хаотичоским дшжоий'.-м, л\ча как . в тсхртшх толах спкпи пакреплепи в уалах ристаллгческой рояотки и в2эшодоГ'':гг;ия мозкду тми нельзя' ¡птзть малым ноьи уцегшсм.Это оГлЯРог; "ельство , с одной торопи, услсстшот описагсгс яплзнкй, происходящих в тиордих елах под действием магнитных пол>3,В частности, л&лзт.:-?. илышх сши-егглиових езг-глкод^йотьмЛ трчЧует при'.кш!и.я •звдюь статистической теории многих Бопимод.огс'цукэдих частиц, ря которых образец • рассматривается как спи: г-'.ая система с ольшим числом ' стспскоЯ сгг.бода.Крсмо мо, . силып.ч) пин-спиноЕне ' -взакадейстгия.в частности секулярше мполь-дкполыше ■ ( гораздо более сильдоз пиет-га тш-рккточнкеЬобуславлквая форму линии магнитного резонанса исывают затухание поперечных компонент подлого аг/.т- ?.а говолшо .короткое время Т2 (т.н. время спал-стшогоЛ юперочной релаксации), усложнив аналитические . йс?^дсг;:.т1'н линии капгитного резонанса,так как имэшю к'еЙрс-чмая {О.юакунта определяет Фунтам» форма резонансной ли.чи;:.

С другой сторона , спин-сгг.гчовые взаимодействия прлнодлг к зуцествогешм' упрошшям.Д$яо * в том, что устанзг.'ч.'ьая внутреннее равневеего, позволяют рассмотреть спинок«.? стопекл свобода твердого тела, ¡¡кряду с рогаткой, в кячестпо этА'*лыыЯ пмсксгьы^^ЪУфщфягф^Яся у:« лпл», яескодыг.М! мгдачшо кеачягядепии • з^рфаяваветоекдаи параметрами, чпедо и характер пароля»«;- определяются ктл^тккы «цве-ч

СПИН-СПШЮШХ ЬЙЙЬЮД1?ЯС»В51а. .

В частности, двухте.чпосатурная модель - в которой, наичду - ' • *

.С геекансрскигл! степенями спооодн, в качество отдельной подсисто,мьг, выделялись степени свобода связанные с епкуляргшки дйаоль-дшюльшки сшУюы^О! взмэюдейстьялми ,била вперг-ыэ.

предложена при описании релаксационных процессов Хуцишвили и явлений насыщения магнитного резонанса Провоторозым.

Наличие в спиновых системах твордых тел, различных масштабов времени (обычно т «т -времени спин-решеточной релаксации), делает, возможным применение основанных на идее Боголюбова о сокращенном описании метода неравновесного статистического оператора (НСО) Зубарева и др.

Кроме того оказалось, что для упомянутых выше "быстрых" переменних( поперечных составляющих полного ■ сшша)

также мои» получить уравнения' движения, но при этом в рассмотрение естественным образом вводится функция памяти."'

Целью настоящей работы является исследование формы линии при насыщении магнитного резонанса и низких "температурах .в упомянутой выше теории функции памяти, вращения плоскости поляризации и поглощения ультразвука, электронно-ядерной епш-решеточной релаксации и поляризации ядер в твердых телах, т.е. исследование некоторых вопросов связанных с частотно-временными проявлениями электронно-ядерных спин-сшшовых и сшн-фоношшх ■ взаимодействий в магнитно-резонансной спектроскопии твердых тел.

Основные результаты и вывода диссертации .заключаются в следующем:

1.Построена низкотемпературная теория формы линии магнитного резонанса в рамках метода функции памяти.Анализ и компьютерный расчет выракзнил для формы линии указывает на хорошее согласив с данными эксперимента.Неболылое различие в г.ысотах я "крыльях" резонансных линий обусловлено ■фигииданком, учитывающим только первые четыре момента функции [ърш Л1НИИ.

2.Прядав уравнениям Блоха универсальный вид . .заменой * леков "полеречной" релаксации интегралами с "памятью", острсена высокотемпературная теория формы линии магнитного огонанса, учитывающая влияние переменного магнитного поля, •ляученгаш результаты хорошо согласуются как с экспериментом,

;г с ' отличным от приведенного в диссертации >дхада'-розультаташ^ теории Проворотова. . •

3.С помощью теории запарщищзя по Цванцту функции памяти

-и-

идан более компактный вид.Иоказана идентичность моментов якции памяти полученной в рамках формализма Ляувилля и эрии запаздывания Цванщтга.

Рассмотрены частные случаи ЯШ' в ферромпгн'зтикзх', гнито-акустического и оптического (упгиренного магнитннмн этаодействиями) резонансов.Нолучонныо результата "хорошо гласуютбя с экспериментальными данными.

4.Впервые указано на возможность подавления изотропных дагашх взаимодействий в условиях магнито-акустического зонанса в системе со спином 3--1 .Расчитан второй момент шеции формы резонансной линии, с помощью которого виявлшш и'чее благоприятные условия сужения линий.

& .Исследовано распространении ультроавука в диамагнитном исталле с п&рама/шетпой примесью.Покапано,что плосуость'-ляризации а) ьтакет повернуться в ту или иную сторону поелтольно начального положения в зависимости от соотношения стот ультразвука и" СВЧ поля; б) сильное "чувствует" с имение Я«Р в случае непосредственной связи кеюу лдорной емановской подсистемой и электронным дашль-дшолььта зерзуаром и в) может вращаться в пулевом постоянном пштном поле, если насыщать переменным магнитным полем уговой поляризации один из переходов си±1 квадрупсиькых ОЕне-й сишоеой системы со спином 8=1. , .

6.Показано, что в поглощении ультразвука ^дер'^й емановской подсистемой решающую" роль:.- колет играть рамахнитная примесь.

7. В рамках исследований влшшя насыщения ЭИР на лаксацию и' поляризацию ядер показано, что при увеличении плитуды СВЧ поля .насыщающего ЭПР на частотах удаленных от зонансной-время спин-решеточной релаксации ядер матрицы еньиается (при этом возрастает "порядок"),тогда как при льнейшем увеличении (когда ш становится солысе чем эдний "обменный" квант ы ), сигнал ЯМР уменьшается кеньшается поляризация ядер) с увеличением времени ядерной ин-решеточной релаксации, а при ь^мо ( так же как в ловлях точного электронного резонанса), релаксация и ляризация ядер становится такой же как без учета влиягая СВЧ

ноля.

8.Показано, что поляризацией ядер иохзю ' управлять воздействием резонансного переменного магнитного поля, циркулярио поляризованным" ссотом и др. на электронную подсистему электронов проводимости в условии гигантского статного расщопленйя зон проводимости.

Выведено выражение для ' сшш-рошоточной релаксации ядерного дилодь-диполыюго резервуара б условиях ЯМР на "магическом" угле, из йнэлиза которого видно, что ыасшцение приводит к увеличении температур. рассматриваемых спиновых гглдсистем. •

10.Исследованном сгпгн-решеточной релаксации примесных центров со вращающейся системе координат в условиях обменного суэмгая резонансной. линии показано, что влияние оОменнцх' взаимодействия обуславливает более э®Е»ктаеную спин-решеточную релаксацию во вращащейся системе координат . чем в ляйараторной.

11.Предложен механизм релаксации примесных электронных центров через кластэры( связанные обменным взаимодействием случайные пары парамагнитной примеси), что позволяет правильно описать соответствующий эксперимент.А именно, получено,, что скорость спин-решеточной релаксации примесных .парамагнитных центров пропорциональна концентрации пркмэсных центров и квадрату температура.Показано такие, что с ростом концентрации 1ршлоси. перестает осуществляться эффект фоаного "узкого 'орла". ,

RJ2I-UBLIC of GEORGIA TBILISI STATS .UNIVERSITY

'Licensed as manuscript

SWVER KHALVASHI

DYNAMICS AND H3LAXATI0N OP SPIN SYSTEMS IN 50IJD3

' Speciality: 01.02.0^ - radiophysics

• 4

• ' ...

ABSTRACT

of the dissertation for receiving the sciantific degree of doctor of physical and mathematical 9 sciences

TBILISI - 1993

•The work is made in the Batumi loiitechnical Institute of Georgian Technical University

Official opponents: Doctor of physicel end mathematical sciences N.Giorgédze, Doctor of physical and mathematical sciences, professor A.Tugushi, Doctor of physical and mathematical sciences A.Ugulava.

The defence of the dissertation will take place on

"---" ---- 1993 et ---o'clock in the sitting of the

Tbilisi State University's Scientific-attestation council fiii 01.02.li1-6' (Chavchavadze av.3, Tbilisi State University, Tbilisi, 380023)

You may become acquainted with the dissertation in the library of the Tbilisi State University.

Abstract is distributed- àh " — " _1993

3cientific-att»ntation' council's scientific secretary,. Doctor of physical and mathematical science, profpssoxr

/¿».Aladeshvili/

•is-

DYNAklCS AND RELAXATION OP SPIN SYSTEMS IN SOLIDS j,

The foundations of discription of spin system dynamics under magnetic resonance conditions were layed by Bloch end developed by Bloembergen, Parcell and Pound (BPP).

However the experiments showed that both Bloch equations and BPP theory, describing correctly magnetic phenomena in fluids and gases, are in many-^asea inapplicable for description of spin systems in solids. In fluids and gase3 dipole-dipole spin interactions are averaged by a random motion, whereas in solids spins ara fixed in crystalline lattice sites,and interactions Detween them cannot ba regarded as a small perturbation. This circumstance, on the one hand, complicates the description of phenomena occuring in solids under the action of magnetic fields. In particular, at strong spin-spin interactions the methods of statistical theory of many interacting particles should be applied, where the sample is regarded aa a unified spin system with a great number o„ degrees of freedom. Moreover, strong spinspin interactions, particularly secular dipole-dipole one3 (much stronger than spin-lattice interactions), determining the magnetic resonance shape, cause attenuation of transversal components-of a it'll spin for rather a short period of time Tg (tW so-called sp .n-spin or tr:-.'isver3al relaxation time), thus complicating analytical investigation of the magnetic-resonance shape, since exactly the transversa®; component determines the resonance shnpn function.

On the other hand, spin-spin interact!' -3 lead to significant

simplifications. The fact is that establishing internal equilibrium they allow to consider spin degrees of freedom of solids along with the lattice as a separate subsystem, which is described only by few.slowly varying thermodynamic parameters, whose number and behaviour ia determined by a specific type of spin-spin interactions. In particular, the tvrt>-temperature no-del, where along with Zeeman degrees of freedom those, associated with secular dipole-dipole spin interactions, were distinguished es a separate subsystem, vms first proposed by Khutsi-shvili for description of relaxation processes and by Provoto-rov for description of magnetic resonance saturation phenomena»

The existence of various time scales (usually T2«T1) in spin systems of solids makes it possible to use Zuberev method of nonequdlibrium statistical operator (KSO) based on Bogolu-bov's idea of shorthand i'4acription.

Besides, it appeared that for the aoovenentioned "fast" variables (transversal components of a full spin) equations of motion can be also obtained, but in this cese the memory function is naturally introduced into consideration.

The purpose o? the present work is the investigation of the

line shape !at 'rfiaghetie resonance saturation and low temperatures

_____ _____ . i.-

in the abovementioried theory of memory function, of polarization

plane rotation and ultrasbund absorption, of electron-nuclear

spin-lattice relaxation aria nuclear polarization in solids, i.e.

the investigation of some problem's associated with frequency-

time manifestations of electrohlnuclear spin-spin and spin-pho-

non interactions in magnetic-resbnaiice spectroscopy of solids.

Basic Results and Conclusions of the Thesis

1. The low-temperature theory of the magnetic гезопапсе 3hape is built in the framework of the memory function method. ihe analysis and the computer calculation of the expression for the lineshape show good agreement with the experimental data. Slight difference in heights and "wings" of resonance lines is determined by the approximation, which allows for only first four moments of the shape function.

2. taking tie 31och equations of universal type Ъу replacement of "transversal" relaxation terins by integrals with "memory" the high-temperature tneory of magnetic resonance shape, accounting fqr variable magnetic field effect, was built. Ihe results obtained agree well both with the experiment and the Provotorov theory results.

3. iVith the help of Z'.vrnzig delay theory the memory function was msde more compact, fhe identity of memory function obtained in terms of liuvil formalism end Zwanzig delay theory is shown.

Special esses of HLlR in ferromagnetics, magneto-acoustic and optical (broadened by magnetic interactions) resonances are considered. The results obtained are in good agreement with the experiment.

4-. Possibility of suppression of isotropic exchange interaction.3 under magneto-scour. ;ic resonance in the 3ysten with 3 >1/2 spin is fir3t зЬо.-.л.

5- Ultrsaound propagation in a diamsgnefcic crystal with a paramagnetic iir.purity is investigated. It is ohoiro trst the polarization plane a)- can turn to any 3ide with respect to its initial position depo.-iaing on the relaa»ion3hip %t»resn ultrea^iwi

£ycquencen and rf field; b) "feels" core strongly IE.'¡R saturation in the case of direct coupling between nuclear Zeeman £>ubsysteia and electron dipole-dipole reservoir end c)cen rotate in the zero constant magnetic field if one ol 0£ +1. transitions of quad-_-:poIe equations of the, spin system with spin is saturated ,, by 2 esriable magnetic field of rotary polarization. G. k paramagnetic Impurity ia shown to be of crucial importance i-.! ultrasound absorption by the nuclear Zeeman subsystem.

7. In the framework of investigations of EPR saturation influence c:< nuclear relaxation and polarization it is shown that with ths

field amplitude increase et the frequencies away iron the resonance one the time of the matrix nuclear opin-l&ttice relaxation decreases (with the increase of the "order"), while et further increase (when vO, exceeds the middle "exchttnge" quantum LOtx); ffiffi oignal decreases (nuclear polarization decrea-. ; 3eF) with the increase of the nuclear spin-lattico relaxation tins, and at tUj>?¿O^Coimilar to the condition of the exact electron resonance), the nuclear relaxation and polarisation be-ccmD identical to those without allowance for the rf field ei-feet. ' ;

8. It is shown that nuclear polarization can be governed by the action of the resonance variable magnetic field, circularly polarized light etc. on the conduction electron subsystem under tremendous spin splitting of conduction bands.

9. The xp re S3 ion for spin-lattice -relaxation of nuclear "dipole-iipole reaervoir under 2&IR conditions on "the "magic"'angle is .ntroduped, whose analysis shows that saturation results in the. er..perature increase of the apip gu^yotcma •uvicT «eftsidaration.

10. By investigation of the spin-lattice relaxation of impurity centers in the rotating coordinate system at exchange narrowing of the resonance shspe is shovm that exchange interactions causa more effective spin-lattice relaxation in the rotating coordinate system than in the'laboratory one. >

11. The mechanism of relaxation Of impurity electron centers through clusters associated by exchange interaction. (random pair3 of paramagnetic Impurity) is proposed, which allows to describe correctly th'u corresponding experiment, iJamoly, it is obtained that- the 3pin-lattice relaxation rate of impurity paramagnetic centers is proportional to the impurity center concentration and the temperature squared. It is also shown that with the concentration increase the phonon bottleneck effect ceases to exist.

'Ю-

??о!,зб<у>о°о1, 'аэезьэЬо а»апЛзоабэЬэгой •зэзеэг, •ЗбпЗэЬ'Зо

1. Абес-адзе Т.Е. .Буишвили Л.Л., йнгман Л.П., _Хзлгзеи Э.Х. Лилия примесного поглощения светз.ущиренкая мзгкптпкю: взаимодействиями в условиях сильного насыщения.-Оптика и спектроскопия. 1989,т.66,бот.5, с.1063-1065.

2. Хдамасвили Г.Т., Хадваши Э.Х.Релаксация диполь-даюлыюго резервуара ядер при магическом угле.ФГТ, 1979,т.21, еып.З.с. 924-325.

3. Буишвили Л.Л., ЗЕиадздзе М.Д., Халваши" Э.Х. Уравнения Глох а б формализме Функции памяти. -ЙЭТ&, 1936,т. 91,вкл.7, с.310-313.

4. Буишвили Л.Л.,Звиададзе М.Д., Халвашк Э.Х.$ормз лэти: кагниткого резонанса в формализме фуккцки памяти при ш:ниа температурах.-ЖЗТФ,1992,т.101.выл.4,с Л295-129Э.

5. Буишвили Л. Л. .Сепашвили Н.О. .Халвгзи Э.Х.Рг.^оккб плоскости поляризации ультразвука б условиях насыщения 0';Р -М'Т, РЭ79, т. 21, вып. 6, с. 1837-1В38.

6.Бугашилп Л. Л.,Сепаззили Н.О. .Халвааа Э.Х.Поглозение

ультразвука в дизмагкетиках с парамагнитной примесью.£??, 1932-т.24,ьып.10,с.2916-2919.

7.Буишвили Л.Л., Халваши Э.Х.Влияние гигантского сашового расщепления на оптическую поляризации ядер.Из АН СССР серия •Физическая 1933,т.47,Ыо 12,с.2343-2049.

<З.Ву вшили Л.Л., Халваии Э.Х.Теория ширины линии магнитного ;>':-: о!пнса в твердых телах .-Радиоспектроскопия (Материалы- IX Т'Г^сокспоЯ школы по магнитному резонансу) Пермь 1!?57,с.?>8-62. . •.|,0:пжиж Н.О., Халвааи Э.Х.Вращение плоскости поляризации у.-,; урпзвукп в парамагнетике при нулевом внешнем повеянном «• -'ИТнем поле.ФТТ,1932,т.24,ил1 .Ь,С. 1558-1559..

10.С''-па:й!-,клп Н.О., Хзлвага: Э.Х.Влияние насксляая Я.'Р на 11'.пичш;у угла вращения плоскости поляшзащга ультразвука б, у<\-к»-лях АПР.Сосощения АН ГССР,Т935,т.120,Но 2,с.273-275.

11 Э.Х. Влияние насыщения электронного парамагнитного

>> ;-">н:«1ся па релаксацию ядер.-ФТТ, 1976, т. ЗЗ.вкп.З.с.780-7*53.

'Л.Хплкягд Э.Х.Влияние ■ насыщения СВЧ шлем на