Когерентная динамика мессбауэровских спектроскопических переходов в магнитных материалах

Юричук, Александр Александрович

Когерентная динамика мессбауэровских спектроскопических переходов в магнитных материалах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Юричук, Александр Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Когерентная динамика мессбауэровских спектроскопических переходов в магнитных материалах»

Автореферат диссертации на тему "Когерентная динамика мессбауэровских спектроскопических переходов в магнитных материалах"

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Юричук Александр Александрович

КОГЕРЕНТНАЯ ДИНАМИКА МЕССБАУЭРОВСКИХ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ В МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ

01.04.07 — физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Казань — 2006

Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Казанского государственного университета им. В. И. Ульянова-Ленина.

Научный руководитель: Научный консультант: Офи ци а л ьн ы е оп пон е нты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, Садыков Эдгзр Камилович;

кандидат физико-математических наук, Вагизов Фарит Габдулхакович;

доктор физико-математических наук, профессор, -

Митин Анатолия Владимирович;

кандидат физико-математических наук, доцент,

Скворцов Андрей Иванович;

Казанский физико-технический интститут им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН

Защита состоится " 2006 в -/У ч. мин. на засе-

дании диссертационного совета Д 212.081.15 при Казанском государственном университете им. В. И. Ульянова-Ленина по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская 18.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. Н.И. Лобачевского Казанского государственного университета.

Автореферат разослан " л2006,

Учёный секретарь диссертационного совета

д. ф.-м.н„ профессор /■ Ерёмин М. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффект Мессбаузра, сразу после своего открытия,'стал основой эффективного метода исследования вещества в конденсированном состоянии — гамма-резонансной (мессбауэровской) спектроскопии. Этот метод е успехом используется для исследования кристаллохимического строения и магнитной микроструктуры вещества е физическом материаловедении, химии и биологии, Мессбауэровская спектроскопия находится в стадии постоянного совершенствования методики эксперимента (схем наблюдения), способов обработки результатов измерений. Этот процесс особенно заметен в областях связанных с исследованиями сложных неоднородных систем: сплавов и замороженных' растворов, аморфного и на но- магнетизма, суперпарамагнетизма, физики поверхности. Специфическую модификацию мессбауэ-ровской спектроскопии составляют эксперименты проводимые в условиях когерентного воздействия на исследуемую систему ультразвуковыми, радиочастотными (р.ч.), лазерными полями, В каждой'из перечисленных выше областей достижение успеха стало возможным благодаря разработке теоретических моделей физических систем в соответствующих условиях, созданию программ обработки спектров.

Данная диссертация включает результаты исследований различных механизмов трансформации меесбауэровских спектров в режиме воздействия внешних когерентных полей нз образец. В частности, мы изучаем последствия р.ч. воздействия на магнитные материалы. Эти исследования преследуют, по крайней мере, две цели.

Во-первых, такие эксперименты представляют новый метод исследования — р.ч. мессбауэро векую спектроскопию, которая в настоящее время с успехом применяется для исследования магнитной микроструктуры нанокри-сталлических сплавов [1]. Магнитная сверхтонкая структура р.ч. 'мессбэуэ-ровских спектров поглощения является важным источником информации о механизмах перемагничивания магнитных материалов на локальном уровне.

Во вторых, мессбауэровская спектроскопия в условиях когерентных воздействий на образец представляет интерес с точки зрения гамма-оптики. Гамма-излучение, распространяющееся в резонансной среде, в этих условиях, меняет свои параметры: интенсивность, частоту, поляризацию. То есть в этом

случае интерес представляют механизмы контролируемого изменения месс-бауэровского (гамма) излучения. Внимание к гамма-оптическим аспектам когерентного воздействия на мессбэуэровские переходы особенно возросло в 90-е годы, после получения целого ряда эффектов квантовой интерференции в оптике, таких как безинверсное усиление, электромагнитно-индуцированная прозрачность, увеличение показателя преломления при уменьшении коэффициента поглощения (существенное уменьшение групповой скорости света). Представляло интерес получение этих эффектов на мессбауэровских переходах, что, в частности, позволило бы осуществить генерацию когерентного излучения в гамма диапазоне в без инверсном режиме. Исследования эффектов когерентности и квантовой интерференции на мессбауэровских переходах, в связи с этим, являются до сих пор актуальными, тема включается в программы конференций по нелинейной оптике и интенсивно обсуждается в литературе.

Исследования, проводящиеся в рамках гамма оптики и когерентных воздействий на систему, полезны и с точки зрения развития техники мессбауэрое-ской спектроскопии. Модификации мессбауэровской спектроскопии, используемые для наблюдения эффектов квантовой интерференции, позволяют получать значительно больше информации об исследуемом объекте, поскольку теперь в измеряемых спектрах могут быть выявлены более тонкие особенности динамики мессбауэровской системы, недоступные при традиционной технике измерений.

Цель работы.

1. Исследование процесса трансформации внешнего р.ч. магнитного поля в процессе перемагничивания в переменное периодическое сверхтонкое поле на ядре в магнетиках типа «легкая плоскость» и связанных с этим изменений мессбауэровских спектров поглощения такого магнетика.

2. Исследование эффектов квантовой интерференции г мессбауэровских спектрах спонтанного излучения четырехуровневой электронно-ядерной

. системы под воздействием внешнего резонансного р.ч. поля,

3. Исследование интерференционных эффектов спектрах резонансного рассеяния мессбауэровского излучения в условиях ант и пересечения под-

уровней.

Научная новизна.

1. Разработана модель описывающая, трансформацию мессбауэрозских Спектров, для магнетиков типа «легкая плоскость» в процессе их рэ-

'>■<■■•'■■ диочастотного перемагничивания. л

2. Получены аналитические выражения для интерференционного вклада в мессбауэровский. спектр спонтанного излучения четырехуровневой электронно-ядерной системы в режиме воздействия внешним резонансным р.ч, полем.

3. Впервые показано перераспределение интенсивности между упругим л неупругим каналами рассеяния в процессе резонансной флюоресценции мессбауэроеского излучения на ядре 57Ре .в условиях а нти Пересе чем и я спиновых подуровней. ,.■

4. Теоретически показано существование новбГо эффекта — «динамического анти пересеченияв условиях вращающегося в плоскости сверхтонкого поля на ядре. ' ?

Научная и практическая ценность. Расчеты, представленные о диссертации, показывают возможность радикальной модификации мессбэуэ-ровских спектров поглощения магнитных образцов типа «легкая плоскость», благодаря когерентному движению намагниченности (и сверхтонкого поля) под действием внешнего р. ч. поля. Тем самым показана эффективность тра-диционнной техники мессбаузровских измерений для изучения динамики намагниченности в этих образцах.

Впервые рассмотрены механизмы квантовой интерференции в процессе резонансной флюоресценции мессбауэроеского излучения в системе с антипересечением спиновых подуровней. Предложен новый механизм антиперече-сения ~г «динамическое» антипересечение, который имеет место в режиме когерентно вращающегося (в плоскости) сверхтонкого поля в магнитных материалах.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на ряде конференций:

* Международная конференция «International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect» (ICAME), Монпелье, Франция, 2005 г.

• Международная конференция «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения»,-Казань, 2000 г.; Санкт-Петербург, 2002 г.; Екатеринбург, 2004 г.; Ижевск, 2006 г,

* Международная конференция «Nanoscale properties of condensed matter probed by resonance phenomena», Казань 2004 г.

• Международная конференция «AFOSR Workshop on Isomers and Quantum Nucleonics», Дубна, 2005 г.; Нижний Иов город-Казань-Нижний Новгород, 2006 г.

Публикации. По материалам представленным в данной диссертации было опубликовано четыре статьи в зарубежных и центральных журналах: «Laser Physics», «Известия РАН», «Письма в ЖЭТФ» и материалы конференции «Vit AFOSR Workshop on Isomers and Quantum Nucleonics»,

1 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка цитируемой литературы, содержащего 76 наименований. Работа изложена на 117 страницах, включая 19 рисунков и 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, и описана структура диссертации.

Первая глава представляет собой обзор исследований когерентных эффектов в мессбаузровсхой спектроскопии. Эта глава также включает описание эффектов, появляющихся при когерентном воздействии на систему, благодаря квантовой интерференции амплитуд. Перечислены основные эффекты открытые оптическими методами: электромагнитно-индуцированная прозрачность, изменение групповой скорости света, безинверсное усиление. Рассмотрены первые работы, в которых исследуется возможность получения таких эффектов в гамма диапазоне, в частности на мессбауэровских уровнях.

Исследования эффектов внешних когерентных воздействий на мессбау-эровские спектры началось вскоре после открытия эффекта Мессбауэра (см, обзор [2]). Исторически первыми (60-е годы) были исследования акустической модуляции мессбауэровского излучения. Типичный спектр в этих условиях состоит из невозмущенного мессбауэровского спектра в отсутствии звука (например, одиночной линии) и его сателлитов, отстоящих на частоту, кратную частоте звука. Далее последовали эксперименты на магнигоупорядоченных образцах с применением радиочастотного магнитного поля. Характерная их особенность также состоит в появлении сателлитов в спектрах магнитных материалов. Р.ч. мессбауэровские эксперименты позволили наблюдать р.ч. коллапс сверхтонкой структуры. Было обнаружено, что для мягких магнитных материалов при больших частотах внешнего сильного р.ч. поля магнитная сверхтонкая структура спектра исчезала.

Наиболее интересными оказались исследования поведения месебауэров-ских спектров в условиях ЯМР на возбужденном или основном уровнях ядра. Эта методика получила,развание двойного гамма-мэгнитного резонанса. В этом случае спектр мессбауэровского излучения ядра расщепляется на 2(/е + 1) зеемановских линий, с величиной расщепления, пропорциональной амплитуде р.ч. поля. Теоретически это явление было исследовано довольно давно 13]. однако экспериментально подтвердить такое расщепление удалось только в 90-е годы(см. [4, 5]).

Далее появились работы учитывающие влияние нерезонансного (по отношению к зеемановской структуре) р.ч. поля на магнитоупорядоченные образцы, для чего необходимо было построить теорию мессбаузровских спектров в условиях произвольного периодического сверхтонкого поля на ядре [б, 7]. Развитием этого направления для легкоплоскостных магнетиков является вторая глава данной диссертации.

В связи успехами экспериментов по наблюдению эффектов квантовой интерференции (КИ) в оптическом диапазоне (см, [8]) возник интерес к эффектам внешнего когерентного воздействия на мессбауэровские системы. В 1993 г. появилась работа Соизаетепг'а [9], который предложил использовать идеи КИ на мессбаузровских радиационных переходах для реализации безин-версного усиления в гамма диапазоне. Физический смысл эффектов КИ со-

стоит в следующем. С помощью внешних когерентных воздействий в системе создаются когерентные суперпозиции состояний исходных уровней. Тогда, в выражениях для вероятности перехода с этих суперлоэкупонных состояний появятся интерференционные члены, которые могут приводить как к уменьшению (в случае деструктивной интерференции), так и к увеличению этой вероятности (конструктивная интерференция). В спектре этому соответствует перераспределение интенсивности излучения. Следует сказать, что такие эффекты неявно фигурировали еще в ранних мессбауэровских работах по рассеянию [10, 11], однако эти вопросы специально не исследовались.

Таким образом, идеи квантовой интерференции оказали стимулирующее воздействие на развитие мессбауэровской спектроскопии когерентно-возбужденных систем. Вновь внимание было привлечено к радиочастотной мессбауэровской спектроскопии. Были также предложены механизмы трансформации мессбауэровских спектров при воздействии на образец лазерным излучением [12]. Третья и четвертая главы данной диссертации содержат результаты исследований радиочастотных эффектов КИ на мессбауэровских переходах.

Вторая глава посвящена исследованию трансформации мессбауэровских спектров поглощения магнетиков типа «легкая плоскость», в частности РеВОд, под воздействием внешнего магнитного р.ч. поля. Основная часть этой главы посвящена теоретическому рассмотрению данного явления. Разработана модель перемагничивания для магнитных материалов такого типа. На основе метода сулероперэтора эволюции и данной модели получены мессбау-эровские спектры поглощения такой системы в условиях р.ч. перемагничивания. Разработанная модель учитывает изменение направления сверхтонкого поля под действием р.ч. поля, релаксационные переходы за счет тепловой энергии, эффекты самопоглощения и магнитострикцииТакже в данной главе представлены экспериментальные данные по воздействию р.ч, поля на РеВОз, проведенные на кафедре ФТТ КГУ и проведено сравнение результатов эксперимента с разработанной теоретической моделью.

Р.ч. поле в нашем случае прикладывается з «легкой» плоскости и, следовательно, намагниченность М все время находится в этой же плоскости. В таких условиях, для описания движения намагниченности, достаточно одного

Ul-M

' ■ т.гыил • *

' а

Рис. 1. а) зависимость свободной энергии йт направления намагниченности; Ь),с) описание геометрии системы.

параметра, угла Ф. Зависимость Ф(() можно найти (используя адиабатическое приближение), минимизируя по Ф свободную энергию намагниченности в поле анизотропии и внешнем р.ч, поле [13]:

E¡ = Ен + Ел

(1)

где Ен = —ЙН{1) = —ЩМ eos tu г соэФ - HgA/cosfwí - фо)зтФ - энергия намагниченности so внешнем р.ч. поле. Ел = — Aircos23^ — — Кгсозг(Ф — Ф2) - описывает энергию магнитной анизотропии.

Зависимость энергии Е; от Ф в различные моменты времени может иметь несколько локальных минимумов. Например, на рис. 1а показана зависимость Ef(ty,t) в определенный момент времени.

Наличие многих минимумов энергии предполагает, что намагниченность может находиться в любом из них. Предположим [7], что в каждый момент времени релаксационный процесс определяется величинами ру (j = г ± 1):

Ру =Я>ехр

(2)

где ро - константа, ДЕц - величины энергетических барьеров между минимумами, а к,Т - постоянная Больцмана и температура соответственно. Здесь ру - вероятности переходов в единицу времени из ¡-ого в минимум. Динамика намагниченности описывается набором возможных траекторий намагниченности (Ф|(4)) и скоростями переходов намагниченности страектории на траекторию под действием релаксации (ру).

Заселенности траекторий и>^) определяются принципом детального рав-

новесия:

<И

Таким образом, усредняя намагниченность по всем возможным траекториям движения, (учитывая заселенность каждой траектории) мы получаем возможность учитывать релаксацию описанного типа.

Сечение поглощения гамма-кванта ядрами можно записать как [6, 7].

ру = г{Еу — Ео)/ + Г/2, Еу - энергия гамма кванта, ~ энергия возбужденного ядерного уровня, Г - естественная ширина мессбаузроеского уровня, - оператор взаимодействия гзмма кванта с ядром в представлении взаимодействия, V - объем квантования, Т - период внешнего р.ч. поля.

В нашем случае супероператор С/™'^1) действует в пространстве переменных размерностью (21®-|-1)(21е-|-1)пр где п - число минимумов энергии. При этом супероператор сверхтонкого взаимодействия диагонален

по стохастическим переменным и составлен из парциальных супероператоров каждый из которых описывает динамику системы связанную с конкретным минимумом г. Релаксационная матрица диагональна по ядерным переменным и определяется введенными ранее релаксационными параметрами ру. Она описывает переходы между возможными динамиками представляет собой строку за сел енн остей, а |1) - единичный

столбец.

Покажем теперь какие факторы и каким образом влияют на мессбауэ-ровские спектры в такой системе. На вид спектра первую очередь оказывает влияние частота р.ч, поля: при больших частотах происходит радиочастотный коллапс, а при очень малых — влияние р.ч. поля на вид спектра перестает быть существенным.

'М-МШ^'Г**

X (И^лвр (Д;с.":<,-«г'™«(1'1 ц//,) |1), (4)

Рис. 2. Изменение вида спектра при постоянном отношении ojTj/u>e: a),b) температура образца 335 К, #л/ = 170 кЭ, /rf = 10МГц; c),d) температура 293К, Hhf = 330 кЭ, fxF = 20МГц; а),с) — теоретические спектры, b), d) — экспериментальные.

Помимо частоты р.ч. поля, структура спектра также существенно зависит от величины и динамики сверхтонкого поля на ядре. Под динамикой сверхтонкого поля в нашем случае имеется в виду изменение направления сверхтонкого поля во времени. Динамика сверхтонкого поля является результатом совместного влияния полей анизотропии и внешнего р.ч. поля.

При заданной динамике сверхтонкого поля на ядре, структура спектра сохраняется при сохранении отношения w,//wt nw(- частота р.ч, поля и расстояния между уровнями ядра в возбужденном состоянии), а изменение u>t и ыг/, при сохранении их отношения, приводит лишь к масштабному изменению спектра (рис." 2).

Отметим, что есть существенное различие в действии на систему осциллирующего и вращающегося (или эллиптически поляризованного) р.ч.поля. Так, а отсутствие анизотропии, внешнее осциллирующее поле приводит к режиму переключающегося сверхтонкого поля на ядре (при этом сверхтонкое поле меняет направление на 180°), так как величина сверхтонкого поля не может существенно изменится. Мессбауэровский спектр в таком случае (при отсутствии квадрупольного расщепления) характеризуется эквидистантными линиями, отстоящими друг от друга на расстояние равное частоте р.ч. поля (рис.Зс). Соотношение амплитуд линий зависит от частоты р.ч. поля и величины сверхтонкого поля. Наличие магнитной анизотропии в образце приводит к тому, что "направление намагниченности определяется уже не только внешнем полем, но и полем анизотропии и динамика сверхтонкого поля приобретает более сложный вид зависящий от отношения полей анизотропии к внешнему

•10 О 10 -10 О 19 -10 0 10

V. mm/s v, mm/s v, mm/s

Рис. 3. Модельные мессбауэровские спектры в отсутствие магнитной анизотропии: а) в отсутствие р.ч поля; Ь) во вращающемся р.ч. поле, /щг = 20 МГц, Hhf = 330 кЭ, а = Щ/Щ = 1, Кг = К^ЦЩМ) = 0, К2 = Къ/{ЩМ) = 0, фа = тг/2; с)в осциллирующем р.ч. поле, /дj? = 20 МГц,

а = 0, ki = 0, Ki = 0, фа = 0.

р.ч. полю.

Опишем теперь влияние релаксационных переходов на структуру спектра. При малых значениях релаксации динамика намагниченности по прежнему определяется конкурирующим влиянием полей анизотропии и внешнего р.ч. поля, а релаксация приводит лишь к уширению линий спектра. Рост величины релаксации приводит к стожа стичн ости динамики намагниченности, при этом роль р.ч. поля сводится лишь к модуляции заселенностей каждого из минимумов.

В осциллирующем поле спектр, обусловленный релаксацией, представляет собой центральную линию и боковые сателлиты, отстоящие от центральной точно на расстояние равное частоте р.ч. поля. Причем количество и интенсивность линий зависят также от отношения u)e/u>Tj. Рост интенсивности релаксационных переходов приводит к уменьшению интенсивности и количества боковых сателлитов.

В случае же вращающегося р.ч, поля получающиеся спектры совпадают со спектром, полученным при строго детерминированном вращении сверхтонкого поля. Причем дальнейший рост параметра кТ приводит к изменениям, полностью аналогичным уменьшению величины сверхтонкого поля.

Было проведено сравнение полученных теоретически результатов с экспериментом по радиочастотному перемагничиванию образцов FeBOä, проведенным на кафедре ФТТ КГУ. В случае осциллирующего р.ч. поля, мы ожидали получить спектры, характерные для модели переключающегося поля на

-1.0

■0.7 -15

■у

о 16-15 ' 5 ' 1$-12 с 12 -12 5 12

У.ттЛ У.гопЛ У.пчпЛ УлиШ»

а) Ь) с) а)

Рис. 4. Мессбауэровские р.ч. спектры образца при температуре близкой к точке Нееля (Т - 335К), частота р.ч. поля / = 20МГц, Ял/ = 170кЭ. В условиях осциллирующего поля: а) эксперимент Н]ц? = 10Э; Ь) теория а = Щ/Н$ = 0 ,Кг = Кх({ЩМ) = 0.01, К2 = К2/(ЩМ) = 0.01, Фо = 0. Во вращающемся поле: с) эксперимент Нцр = 7Э; (1) теория а = 0.8, К\ = 0.01, Къ = 0.01, фо = тг/2.

ядре, которые теоретически описаны [14] и ранее экспериментально наблюдались. В случае вращающегося р.ч. поля мы ожидали получить спектры соответствующие модели вращающегося в плоскости сверхтонкого поля, которые экспериментально не наблюдались. Однако, в измерениях выполненных при комнатной температуре, спектры в обоих случаях имели схожий вид и описывались моделью переключающегося поля на ядре...

Интересный результат дали измерения, проведенные вблизи точки Нееля образца. При этом мы получили ожидаемые спектры, соответствующие динамике вращающегося и переключающегося сверхтонкого поля на ядре. Этот результат представлен на рис. 4

В третьей главе проводится рассмотрение эффектов квантовой интерференции в спектрах спонтанного излучения четырехуровневой электронно-ядерной системы под воздействием когерентного р.ч. поля. Рассмотрение проведено двумя методами: методом естественной ширины линии (аналитически) и методом матрицы плотности (численно). Методы, первоначально разработанные для оптического диапазона, были модифицированы для описания такой системы. Аналитически были получены выражения для описания интерференционного вклада в спектры спонтанного излучения системы. В методе матрицы плотности была учтена электронная релаксация. Рассмотрены результаты влияния квантовой интерференции на форму спектров такой системы. Также рассмотрено влияние электронной

релаксации на эффекты квантовой интерференции.

В простейшем случае мы имеем схему с одним ядерным излучательным переходом |/е, Ме) —>■ \1а, Ма), в которой основной и возбужденный уровни энергии вырождены благодаря сверхтонкому взаимодействию ядра и электрона со спином 5 = 1/2. С учетом сверхтонкого взаимодействия мы приходим к схеме с четырьмя энергетическими уровнями: \Мд, 1/2), |Л/е, —1/2), \Ме, 1/2), \М3> —1/2). Поскольку величина расщепления для основного и возбужденного состояний ядра неодинакова, существует возможность настроить радиочастотное поле отдельно в резонанс с верхней или с нижней парами уровней. Резонансная когерентная связь возбужденной пары уровней может привести к интерференции амплитуд излучательных переходов и характер этой интерференции зависит от способа приготовления начального состояния.

Вычисления, проведенные методом Вейскопфа-Вигнера приводят к аналитическим выражениям для спектра спонтанного излучения. Спектр состоит из двух компонент, отвечающих двум излучательным переходам:

7« |Сз|2 + 403 |С4|г + 4 & + Д)г Г|С312 - ПоС-1 -3, («) = 491,----"ТУ1-J-р

(731742 + |2ГЗо| - 4Д<51 -45?] +4 (731*1 + 742*1 + 731 Л)

Т& \Щ2 + 4Щ |С3|2 + 4 (62 + Д)2 [1С4|2 - ПоС-1 + 27з1Гг0С+

И = 4зЬ----ТГ1-1-р

(7317« + 12По| + 4Д52 - Щ) + 4 ЬзЛ + 7«<Ь - 74гД)

где С+ - С3С4 |£1о| + С3С; |П0| - С\СА |П0| -

- С3С1 |П0| ¿1 = ы - ш31. ¿2 = ш - 9х = Шу/ш/Ш<У, Сг = С3(0) и С4 = С4(0) — комплекснозначные амплитуды населенностей возбужденных состояний в начальный момент времени, По — частота Раби р. ч. поля, Д — расстройка р.ч. резонанса, 731 и 74а — коэффициенты Вейскопфа-Вигнера,

При неравных начальных населенностях возбужденных состояний Сз > С\ спектр спонтанного излучения представляет собой две дублетные ■ структуры центрированные на резонансных частотах излучательных лерехо-. дов «31 и ш42 (Рис. 5). Компонента отвечающая переходу 3 —► 1 проявляет явные признаки деструктивной интерференции, тогда как для другой компоненты интерференция имеет конструктивный характер. При этом компоненты

Рис. 5. Спектр излучения (а) четырехуровневой системы при — 1 и С4 = 0. (Ь) два лоренцевых дублета в случае отсутствия КИ; (с) разность спектральных линий а и Ь демонстрирующая КИ.

отличаются по суммарной интенсивности.

При равных начальных населенностях Сц = С* форма спектра определяется величиной При <р = тг/2, Зтг/2 спектр имеет вид двух одиночных пиков имеющих лоренцеву форму линии, сдвинутых относительно с^ и шц на частоту Раби радиочастотного поля ±По- При плавном изменении начальной фазы & спектр проходит различные промежуточные стадии. Если не принять специальных мер (спектроскопия с временным разрешением) в реальной системе мы увидим усредненный спектр, в котором проявления эффектов КИ отсутствуют.

При любом сочетании начальных условий при точном р.ч. резонансе (Д=0), совместив центры двух спектральных компонент, мы получаем в сумме две лоренцевых линии, отстоящие друг от друга на 2По:

51И + + + - + (7/2)» + (По + ^ } '

ГДе 6и = Ш — ^31, Аи> = 0)42 — Шц.

Таким образом любое отклонение первой спектральной компоненты от суммы двух лоренцианов приведет, в виду этого соотношения, к компенсирующему изменению второй компоненты, поэтому в общем случае мы увидим в спектре одновременно проявления как деструктивной, так и конструктивной интерференции.

В реальных экспериментальных схемах процесс накачки возбужденного состояния происходит одновременно с процессами излучения. Для учета этого обстоятельства был проведен более обстоятельный расчет с использованием уравнения движения для матрицы плотности, применявшийся для аналогичных целей в оптике [15]. Метод был адаптирован для условий нашей задачи и позволил также учесть влияние электронной релаксации, кросс-релаксационных элементов матрицы плотности и воздействия р. ч. поля на нерезонансный переход. За населенность возбужденных состояний отвечают теперь скорости некогерентной накачки И^з и \Уц. В случае, когда один из этих коэффициентов равен нулю, как и при предыдущем рассмотрении, в спектре присутствуют проявления эффектов КИ. Если же И^з = №¡4 ф 0 эти эффекты как и прежде нивелируются. При р. ч. резонансе внизу, мы получаем спектр, состоящий из одиночного дублета без признаков интерференционной картины. Если вырождение для электронной подсистемы не снято и мы настраиваем р. ч. поле в резонанс с обеими парами уровней, спектр спонтанного излучения представляет собой одиночную уширенную линию (вырождение электронного резонанса). Электронная релаксация сглаживает структуру спектра, и, в пределе больших скоростей релаксации, происходит релаксационный коллапс.

Четвертая глава представляет результаты теоретического исследования рассеяния мессбауэровского излучения на системе с «антипересечением» мессбауэровских подуровней. Рассмотрены эффекты интерференции радиационных амплитуд, имеющие место в данном случае. Так же рассмотрен новый механизм антипересечения, названный нами «динамическим антипересечением>. Он становится возможен в системе с сверхтонким полем вращающимся как целое в одной.плоскости.

Явление антипересечения [9] состоит в отталкивании энергий пересекающихся подуровней в результате взаимодействия, перемешивающего эти уровни. В результате образуются два новых состояния Ф(1,г), представляющие собой смесь исходных состояний. Рассмотрим рассеяние мессбауэровского излучения на такой системе (см. рис. 6Ь), Спектр рассеяния можно вычислить.

Рис, 6. (а) Схема подуровней возбужденного состояния мессбауэровского изотопа 57Ре в условиях антипересечения; (Ь) Эквивалентная схема для расчета рассеяния.

пользуясь формулой:

Зт^т) — У (Ет, - Ет>) /ь — Е'и)) (7)

Здесь - амплитуда рассеяния гамма кванта, m^,mj = ±1/2- началь-

ное и конечное состояние в процессе рассеяния (см, рис. 6Ь), Е^ - энергия начального мессбауэровского кванта, /г, - форма линии источника (функция Лоренца с центром на Е^). Выражения для амплитуды упругого и неупругого рассеяния выглядят следующим образом:

^т^т, ~ ¿{тщ^г (Л/г) <А*2& |т!> д + * ^ , (8)

А(ки СГЦ ¿2, СГ2)т1_га1 ~

- |Л/1) ^|гП1> + - +

+ ¿М*2 т (Щйг Ь> (¡¿¡^ + • №

Здесь пц.тг = ±1/2- начальное и конечное состояния в процессе рассеяния, Сд - значение сверхтонкого расщепления для основного состояния ядра, р = —— Ес + Т/2), Ек2 - энергия рассеянного гамма кванта, Ес = Ео-шо/2 - энергия точки пересечения уровней, — энергия возбужденного уровня ядра 57Ре. Выражение (8) описывает упругий канал рассеяния (51, ггц = ту = 1/2, на рис, бЬ), а выражение (9) неупругий канал (S2,mi = 1/2, тп^ = —1/2).

Д=1.7

-2 0 2

(ЕИ-ЕСУГ

Рис. 7. Зависимость отношения интенсивностей /¡/1\ от энергии падающего гамма-кванта (Я*,)) при различных значениях параметра перемешивания, я, «= 15, Д = 1, А = тг/2, & = тг/2.

Амплитуды рассеяния (8) и (9) приводят к различным типам КИ. Упругое рассеяние,проявляет деструктивную интерференцию (при Д > Г/2). В то же время неупругое рассеяние может быть изменено благодаря как деструктивной, так и конструктивной КИ. Результирующий эффект в последнем случае зависит от соотношения матричных элементов (тг^^Мг) и (эт^Агг]^)-Поскольку зависимость этих матричных элементов от направления распространения рассеянного гамма кванта и его поляризации разная, это приведет к тому что интерференция для этой линии будет зависеть от направления рассеяния.

Мерой квантовой интерференции служит изменение отношения интенси вностей упругой и неупругой линии рассеяния (/¡/^(Д)) в зависимости параметра перемешивания 5, Зависимость отношения (/г/Л) от энергии падающего гамма-кванта Ека при различных значениях параметра перемешивания приведена на Рис. 7. Выражения для амплитуд рассеяния демонстрируют различный тип КИ. Амплитуда упругого рассеяния (3) показывает деструктивный тип интерференции (при Д > Г/2). В то же время амплитуда неупругого рассеяния (9) содержит слагаемые, соответствующие как деструктивному, так и конструктивному типу КИ.

Антипересечение уровней может иметь место и в случае сверхтонкого взаимодействия, зависимость которого от времени отличается от условия

Рис. 8. Зависимость энергетических параметров КС Ец'М от частоты вращения сверхтонкого поля ш при постоянной его амплитуде (1), 2), 3) разные типы точек пересечения, дополнительно отмечены точки типа 2) в которых возможно динамическое антипересечение

обычного резонанса. Рассмотрим мессбауэровское ядро, помещенное в постоянное сверхтонкое поле (Нд) и дополнительное поле (//1), вращающееся в плоскости перпендикулярной направлению постоянного поля. В этом случае, спиновые функции ядра (скажем, возбужденного состояния 57Ре) представляют собой квазиэнергетические состояния (КС): ■'*■'■ ■ '

3/2 - '

Фм> = £ (10)

М=~ 3/2

где Ем'М — Л/ш 4-М'^(о>о + ш)2- элементы матрицы араще-' ния, - фаза р.ч. поля, 0 ~ аг«§ [и>\/ (с^о + ш)], 7 - гиромагнитное отношение, |Л/) = (3/2, М) - собственные функции оператора проекции спина ядра

и.

Построим график зависимости значений энергии Емм< от частоты вращающегося поля при постоянном значении его амплитуды (см. рис. 8). Нас будут интересовать точки пересечения, которые можно разделить на три типа, по правилам отбора: 1) ДМ' = ±1 и ДМ = ±3; 2) ДМ' = ±1 и ДМ = ±2; 3) ДМ' = ±2 и ДА/ = ±3. Для них выполняются следующие соотношения: 1) За; = уЧ + сЛ 2) 2из - + ий, 3) За; = + и>2.

В этих точках пересечения, следует ожидать эффекта антипересечения (по аналогии с [9]), при наличии возмущения перемешивающего уровни. Необходимые возмущения могут быть представлены как: Щ = + /£) в случае

2) и Щ = + /£) в случаях 1) и 3), соответственно.

Далее рассмотрим более подробно тип пересечения 2). Удобно в этом случае воспользоваться теорией возмущений в композитном гильбертовом пространстве [16]. Необходимые матричные элементы выглядят как:

Г/2

= (£) I I(И)

-Т/2

где Т — период функций. Вычисление матричных элементов следует производить при значениях параметров: шо = 0, ш = о^/^/З, = 7г/3. Собственные вектора этого запишутся тогда как:

Ф; = <г'¥' (Ф_1/2 - Ф_3/2) , % = ¿4* (Ф_3/2 + ф_1/2) , (12) % « ¿Ч> (Фа/2 - Ф1/2), = е"'^' (Ф1/а + Ф3/2) (13)

Таким образом, в этом случае вместо базисных функций образуются линейные комбинации базисных КС со сдвигом по энергии на Д = 3/25 зависящим от возмущения. При этом происходит отталкивание энергий пересекающихся состояний на эту малую величину, т.е. для них имеет место антипересечение. Назовем этот эффект (в отличие от [9]) «динамическим» антипересечением. Действительно, например, состояние Ф!, содержит две линейные комбинации (^ 1/2(т/3)|-1/2) + ^з/г^/3)!3/2)6^) и -3/2 1-3/2} + ^1/2,1/2 (7Г/3) I*/2} е2<р)> соответствующие двум точкам пересечения Ф3/2 и Ф1/2 на рис. 8, каждая из которых имеет.свой экспоненциальный временной множитель. Линейные комбинации тех же пар состояний входят и в Ф3, но показатели Экспонент при них сдвинуты соответственно на Д = 3/25 (см. вставку на рис. 8).

6 главе Выводы сформулированы основные выводы: Положения выносимые на защиту.

• Разработана теоретическая модель р.ч, мессбауэровских спектров поглощения для магнетиков типа «легкая плоскость» (РеВОз). Получены . закономерности изменения мессбауэровских спектров в зависимости от параметров модели: значений р.ч. амплитуды и поля плоскостной мзг-нитной анизотропии. Учтено влияние возможных релаксационных скач-

ков намагниченности между минимумами свободной энергии. Получено согласие результатов с экспериментом.

• Получены аналитические выражения для спектра спонтанного излучения электронно-ядерной мессбауэровской системы в режиме р.ч. перемешивания электронных подсостояний. Квантовая интерференция амплитуд приводит к возникновению участков деструктивной и конструктивной интерференции в спектре, в зависимости от способа приготовления начального состояния системы.

• Предложен механизм перераспределения интенсивностей упругого и неупругого каналов в спектрах резонансного рассеяния гамма-квантов, в условиях антипересечения ядерных подуровней. Перераспределение интенсивностей имеет место из-за различного характера (деструктивного и конструктивного) квантовой интерференции для этих каналов.

• Предложен новый механизм антипересечения — анти пересечение в условиях динамического пересечения в системе с вращающимся сверхтонким полем и неаксиальным градиентом электрического поля. Расчет проведен для изотопа 57Fe .

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

[11 Sadykov, Е. К, Quantum interference of Mossbauer gamma transitions in magnetic materials / E. K. Sadykov, L. L. Zakirov, A, A. Yurichuk // Laser Physics. —2001,-Vol. 11, no. 3.— Pp. 409-418.

[2] Сэдыков, Э. К. Магнитная сверхтонкая структура мессбауэрозских спектров магнитных материалов типа "легкая плоскость "в р.ч. поле-/ Э. К. Сэдыков , Л, Л, Закиров, А. А. Юричук, Г. И. Петров // Изв. РАН сер. Физическая. — 2001. — Т. 65, № 7, — С. 930-935.

[3] Сэдыков, Э. К. Контролируемая квантовая интерференция мессбауэров-ского излучения при резонансном рассеянии / Э. К. Садыков, А. А. Юричук, Ф. Г. Вагизов, О. А. Кочаровская // Письма в ЖЭТФ. — 2006, — Т. 84, № 4, —С. 203-207,

[4] Sadykov, Е. К. Resonant Scattering of Mossbauer Photons under the Conditions of Controllable Quantum Interference / E. K. Sadykov. V. V. Arinin, A. A. Yurichuk, F. G. Vagizov // Proceedings of 7th AFOSR Workshop on Isomers and Quantum Nucleonics. — 2005. — Pp. 213-222.

[5] Юричук, А. А. Мессбауэровские спектры РЧ возбужденных магнетиков / А. А. Юричук, Г. И. Петров, В. Ю. Любимов, Э. К. Садыков // Сборник

Трудов 6-ой Всероссийской Молодежной Научной Школы "Актуальные проблемы магнитного резонанса и его приложений. Новые аспекты применения магнитного резонанса".—2002. — С. 127.

[6] Садыков, Э. К. К теории мессбауэровских спектров магнитных материалов в режиме их радиочастотного перемагничивания / Э. К. Садыков , Л. Л. Закиров, А. А. Юричук, С. А. Алексеев // Тезисы докладов Международной конференции «Эффект Мессбауэра: магнетизм, материаловедение, гамма оптика». — 2000. — С. 133.

[7] Sadykov, Е. К. Resonant fluorescence magnetic hyperfine structure of Moss-bauer spectra of easy plane type magnetic materials / E. K. Sadykov, L. L. 2a-kirov, A. A, Yurichuk // Abstracts of ICAME, Oxford, UK.- 2001. — P. T3/51.

[8] Петров, Г. И. Радиочастотные мессбауэровские спектры легко плоскостных магнитных систем / Г. И. Петров, Э. К. Садыков, А. А. Юричук // Сборник тезисов ИХ международной конференции "Мессбаузров-ская спектроскопия и ее применение", — 2002. — С. 205.

[9] Sadykov. £ К. The influence of the rf field on the Mossbauer spectra of FeB03 / E. K. Sadykov, A. A. Yurichuk, G. I. Petrov, A. V. Pyataev. V. Yu. Lu-bimov // Abstracts of ICAME, Masskat, Oman.— 2-7 September 2003,— P. T5/32.

[10] Sadykov, E, K. he influence of rf field on Moessbauer spectra of (FeBOj) / E. K. Sadykov, A. A. Yurichuk, G, I. Petrov, A. V. Pyataev, V. Yu. Lubi-mov // Abstracts of International Conference "Nanoscale properties of condensed matter probed by resonance phenomena". — 2004, — P. 140.

[11] Петров, Г. И. Мессбауэровские спектры РеВОз в режиме р.ч. перемагничивания / Г. И. Петров, А. А. Юричук, В. Ю. Любимов, Э- К. Садыков // Сборник тезисов IX международной конференции 11 Мессбауэров-ская спектроскопия и ее применение". — 2004. — С, 199.

[12] Sadykov, Е. К. Radio-frequency Mossbauer spectra of "easy"plain type magnetic system (ТеВОз) / E. К. Sadykov. A, A. Yurichuk, V, Yu. Lubimov, G. I. Petrov //'Abstracts of ICAME, Montpellier, France,— 5-9 September 2005,— P. T6-P24 (принята в печать в Hyperfine Interactions, DOI 10.1007/sl0751- 006-9376-4).

[13]. Садыков, Э. К. К теории квантовой интерференции на мессбауэровских переходах / Э. К, Садыков, А. А. Юричук // Сборник тезисов X международной конференции "Мессбауэровская спектроскопия и ее; применение". - 2006. - С. 139,

[14] Sadykov, Е. К. The resonant scattering of Mossbauer;radiation in levels "antic rossing"conditions / E. K, Sadykov, A. A. Yurichuk // Abstracts of 8-th AFOSR Workshop on Quantum Nucleonics and Isomers, — 2006. — P. 32.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Kopcewtcz, М. The rf-Mossbauer study of the magnetic properties of nanocrystalline alloys / M. Kopcewicz // Journal of Alloys and Compounds. — 2004,- Vol. 382, no: 1-2. - Pp. 165-173.

[2] Srivastava, J. K. Radiofrequency, acoustic, microwave and optical perturbations of Mossbauer spectra / J. K. Srivastava // Advanced Mossbauer Spectroscopy: Appl. Phys,, Chem,, Biol. / Ed, by В. V. Thosar, et al. — Amsterdam, 1983,—Pp. 761-813.

[3] Hack, M. N. Effect of radiofrequency resonance on natural line form / M. N. Hack, M. Hamermesh // Nuovo Cimento.— 1961, —Vol. 19, no. 1,— Pp. 546-556.

[4] Vagizov, F. G. The splitting of hyperfine lines of 57Fe nudei in rf magnetic field / F, G. Vagizov // Hyperfine Interactions. —1990. —Vol. 61, no. 1-4,— Pp. 1359-1364.

[5] Observation of Mossbauer resonance line splitting caused by Rabi oscillations / I. Tittonen, M. Lippmaa, E. Ikonen et al. // Phys. Rev. Lett.— 1992.— Vol. 69, no. 19.- Pp. 2815-2818.

[6] Sadykov, £. K. Theory of r.f. mossbauer spectra of the magnetics with magnetic an ¡sot ropy / E, K. Sadykov, A. I. Skvortsov // Physica Status Solidi (b). - 1990. - Vol. 158, no- 2. - Pp. 685-694.

[7] Афанасьев, A. M. Эффект коллапса в модели невзаимодействующих частиц стон ер а-вольфа рта / А. М. Афанасьев, М. А. Чуев, Ю. Гессе // ЖЭТФ. - 1998. - Т. ИЗ, № 5. - С. 1799-1815.

[8] Скалли, М. О. Квантовая Оптика / М. О. Скалли, М. С. Зубзйри.— М.:Физматлит, 2003.— 512 с.

[9] Noпreciprocity of gamma emission and absorption due to quantum coherence at nuclear-level crossing / R. Coussement, M. Van den Bergh, G, S'heeren et al. // Phys. Rev. Lett.- 1993.-Vol. 71. no. 12.-Pp. 1824-1827.

[10] Bashkirov, Sh, Sh. The scattering of 7-rays in the regime of double resonance / Sh. Sh. Bashkirov, A. L. Beljanin, E. K. Sadykov // Phystca Status Solidi (b). - 1979. - Vol. 93. no. 1. - Pp. 437-442.

[11] Mitin, A. V. Theory of mossbauer scattering under gamma magnetic resonance conditions / A. V, Mitin // Phys.Lett.A. —1981. — Vol, 84, no. 5. — Pp. 283286.

[12] Kocharovskaya, O. A, Coherent optical control of Mossbauer spectra / O. A, Kocharovskaya, R. L. Kolesov, Y. V. Rostovtsev // Phys.Rev.Lett.-1999. - Vol. 82, no. 18. - Pp. 3593-3596.

[13] Stoner, E. C. A mechanism of magnetic hysteresis in heterogenerous alloys / E. C. Stoner, E. P. Wohlfarth // Philos. Trans, R, Soc. London Ser. A, -1948.-Vol 240.-Pp. 599-642.

[14] Влияние радиочастотного перемагничивания на гамма-резонансные спектры ферромагнетиков / Ю. В. Балдохин, С. А. Борщ, Л. М. Клингер В-^А. Новицкий // ЖЭТФ,- 1972 —август, - Т. 63. № 2(8).- С. 708-

[15] Zhu, 5.-У. Quantum-mechanical interference efFects in the spontaneous-emission spectrum of a driven atom / S,-Y. Zhu, L, M. Narducci, M. 0. Scully // Phys. Rev.A. — 1995. — Vol. 52, no, 6. — Pp. 4791-4802.

[16] Sambe, H, Steady states and quasienergies of a quantum-mechanical system in an oscillating field / H. Sambe // Phys. Rev. A. — 1973. — Vol. 7, no 6 -Pp. 2203-2213,

Отпечатано в ООО «Печатный dtop». д Казань, ул. Журналистов, 1/16, оф.207

Тел; 272-74-59, 541-76-41, 541-76-51. Лицензия ПД М7-0215 от 01.11.2091 г. Выдана Поволжским межрегиональным территориальным управлением МПТР РФ. Подписано е печать 10.11.2006 г. Усл. ял 1,5. Заказ МК-5567. Тираж 110 за. Формат 60x841/1«. Бумага офсетная. Печать -рювграфия.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Юричук, Александр Александрович

Введение

1 Когерентные явления в мессбауэровской спектроскопии

1.1 Мессбауэровские исследования когерентных внешних воздействий.

1.2 Квантовая интерференция радиационных переходов и ее результаты

2 Мессбауэровские спектры поглощения магнетиков типа «легкая плоскость» в режиме радиочастотного перемагничивания

2.1 Введение.

2.2 Описание модели поведения намагниченности

2.3 Вычисление сечения поглощения системы с периодически меняющимся сверхтонким взаимодействием.

2.4 Методика расчета мессбауэровских спектров: детерминированная модель.

2.5 Методика расчета мессбауэровских спектров: учет влияния релаксации.

2.6 Учет роли магнитострикционных звуковых колебаний в образце РеВОз возникающих в режиме перемагничивания

2.7 Основные закономерности влияния радиочастотного магнитного поля на мессбауэровский спектр.

2.8 Экспериментальные исследований мессбауэровских спектров бората железа (РеВОз) в процессе радиочастотного перемагничивания.

2.9 Выводы.

3 Квантовая интерференция в четырехуровневой электронно-ядерной системе

3.1 Введение.

3.2 Интерференция 7-переходов в электронно-ядерной системе: рассмотрение в рамках теории естественной ширины линии

3.3 Метод расчета спектров с использованием матрицы плотности

3.4 Обсуждение результатов.

3.5 Выводы.

4 Квантовая интерференция в спектрах рассеяния мессбауэровского излучения

4.1 Введение.

4.2 Эффекты интерференции в спектрах рассеяния в условиях антипересечения уровней.

4.3 Явление «динамического» антипересечения и его свойства

4.4 Выводы.

Основные результаты, выносимые на защиту

Введение диссертация по физике, на тему "Когерентная динамика мессбауэровских спектроскопических переходов в магнитных материалах"

Эффект Мессбауэра, сразу после своего открытия, стал основой эффективного метода исследования вещества в конденсированном состоянии — гамма-резонансной (мессбауэровской) спектроскопии. Этот метод с успехом используется для исследования кристаллохимического строения и магнитной микроструктуры вещества в физическом материаловедении, химии и биологии. Мессбауэровская спектроскопия находится в стадии постоянного совершенствования методики эксперимента (схем наблюдения), способов обработки результатов измерений. Этот процесс особенно заметен в областях связанных с исследованиями сложных неоднородных систем: сплавов и замороженных растворов, аморфного и нано- магнетизма, суперпарамагнетизма, физики поверхности. Специфическую модификацию мессбауэровской спектроскопии составляют эксперименты проводимые в условиях когерентного воздействия на исследуемую систему ультразвуковыми, радиочастотными (р.ч.), лазерными полями. В каждой из перечисленных выше областей достижение успеха стало возможным благодаря разработке теоретических моделей физических систем в соответствующих условиях, созданию программ обработки спектров.

Данная диссертация включает исследования мессбауэровских спектров полученных в режиме воздействия внешних когерентных полей на образец. В частности, мы изучаем последствия р.ч. воздействия на магнитные материалы. Эти исследования преследуют, по крайней мере, две цели.

Во-первых, такие эксперименты представляют новый метод исследования — р.ч. мессбауэровскую спектроскопию, которая в настоящее время с успехом применяется для исследования магнитной микроструктуры нанокристаллических сплавов. Магнитная сверхтонкая структура р.ч. мессбауэровских спектров поглощения является важным источником информации о механизмах перемагничивания магнитных материалов на локальном уровне.

Внимание к гамма-оптическим аспектам когерентного воздействия на мессбауэровские переходы особенно возросло в 90-е годы, после получения целого ряда эффектов квантовой интерференции в оптике, таких как безинверсное усиление, электромагнитно-индуцированная прозрачность, увеличение показателя преломления при уменьшении коэффициента поглощения (существенное уменьшение групповой скорости света). Представляло интерес получение этих эффектов на мессбауэровских переходах, что, в частности, позволило бы осуществить генерацию когерентного излучения в гамма диапазоне в безинверсном режиме. Исследования эффектов когерентности и квантовой интерференции на мессбауэровских переходах, в связи с этим, являются до сих пор актуальными, тема включается в программы конференций по нелинейной оптике и интенсивно обсуждается в литературе.

Исследования, проводящиеся в рамках гамма оптики и когерентных воздействий на систему, полезны и с точки зрения развития техники мессбауэровской спектроскопии. Модификации мессбауэровской спектроскопии, используемые для наблюдения эффектов квантовой интерференции, позволяют получать значительно больше информации о исследуемом объекте, нежели традиционный метод поглощения. Цель работы.

2. Исследование эффектов квантовой интерференции в мессбауэровских спектрах спонтанного излучения четырехуровневой электронно-ядерной системы под воздействием внешнего резонансного р.ч. поля.

3. Исследование интерференционных эффектов в спектрах резонансного рассеяния мессбауэровского излучения в условиях антипересечения подуровней.

Научная новизна.

1. Разработана модель описывающая, трансформацию мессбауэровских спектров, для магнетиков типа «легкая плоскость» в процессе их радиочастотного перемагничивания.

2. Получены аналитические выражения для интерференционного вклада в мессбауэровский спектр спонтанного излучения четырехуровневой электронно-ядерной системы в режиме воздействия внешним резонансным р.ч. полем.

3. Впервые показано перераспределение интенсивности между упругим и неупругим каналами в процессе резонансного рассеяния мессбауэровского излучения на ядре 57Ре в условиях антипересечения спиновых подуровней.

4. Теоретически показано существование нового эффекта — «динамического антипересечения», в условиях вращающегося в плоскости сверхтонкого поля на ядре.

Научная и практическая ценность. Расчеты, представленные в диссертации, показывают возможность радикальной модификации мессбауэровских спектров поглощения магнитных образцов типа «легкая плоскость», благодаря движению намагниченности (и сверхтонкого поля) под действием внешнего р. ч. поля. Тем самым показана эффективность традиционнной техники мессбауэровских измерений для изучения динамики намагниченности в этих образцах.

Впервые рассмотрены механизмы квантовой интерференции в процессе резонансного рассеяния мессбауэровского излучения в системе с антипересечением спиновых подуровней. Предложен новый механизм антиперечесения — «динамическое» антипересечение, который имеет место в режиме вращающегося (в плоскости) сверхтонкого поля в магнитных материалах. Положения выносимые на защиту.

1. Разработана теоретическая модель р.ч. мессбауэровских спектров поглощения для магнетиков типа «легкая плоскость» (РеВОз). Получены закономерности изменения мессбауэровских спектров в зависимости от параметров модели: значений р.ч. амплитуды и поля плоскостной магнитной анизотропии. Учтено влияние возможных релаксационных скачков намагниченности между минимумами свободной энергии. Получено согласие результатов с экспериментом.

2. Получены аналитические выражения для спектра спонтанного излучения электронно-ядерной мессбауэровской системы в режиме р.ч. перемешивания электронных подсостояний. Квантовая интерференция амплитуд приводит к возникновению участков деструктивной и конструктивной интерференции в спектре, в зависимости от способа приготовления начального состояния системы.

3. Предложен механизм перераспределения интенсивностей упругого и неупругого каналов в спектрах резонансного рассеяния гамма-квантов, в условиях антипересечения ядерных подуровней. Перераспределение интенсивностей имеет место из-за различного характера(деструктивного и конструктивного) квантовой интерференции для этих каналов.

4. Предложен новый механизм антипересечения — антипересечение в условиях динамического пересечения в системе с вращающимся сверхтонким полем и неаксиальным градиентом электрического поля. Расчет проведен для изотопа 57Ре .

Диссертация состоит из четырех глав и списка цитируемой литературы. Содержание диссертации следующее:

• Первая глава представляет собой литературный обзор и подразделяется на две части. Первая часть посвящена истории и современному состоянию радиочастотной мессбауэровской спектроскопии. Вторая часть заключает описание эффектов, появляющихся при когерентном воздействии на систему благодаря квантовой интерференции. Перечислены основные эффекты открытые оптическими методами: электромагнитно-индуцированная прозрачность, изменение групповой скорости света, безинверсное усиление. Рассмотрены работы, исследующие возможности получения таких эффектов в гамма диапазоне, в частности на мессбауэровских уровнях.

• Вторая глава посвящена исследованию трансформации мессбауэровских спектров поглощения магнетиков типа «легкая плоскость» под воздействием внешнего магнитного р.ч. поля. Основная часть этой главы посвящена теоретическому рассмотрению данного явления. Разработана модель перемагничивания для магнитных материалов такого типа. В данной модели методом супероператора эволюции получены мессбауэровские спектры поглощения системы в условиях р.ч. перемагничивания. В данной главе также представлены экспериментальные данные по воздействию р.ч. поля на РеВОз проведенные на кафедре ФТТ КГУ и проведено сравнение эксперимента с разработанной теоретической моделью.

Третья глава включает рассмотрение эффектов квантовой интерференции в спектрах спонтанного излучения четырехуровневой электронно-ядерной системы под воздействием когерентного р.ч. поля. Рассмотрение проведено в рамках приближения естественной ширины линии (аналитически) и с помощью уравнения движения для матрицы плотности системы (численно). Методы, первоначально разработанные для оптического диапазона, были модифицированы для описания этой системы. В данной главе получены аналитические выражения для описания интерференционного вклада в спектры спонтанного излучения системы. В методе расчета с использованием матрицы плотности была учтена электронная релаксация. Рассмотрены результаты влияния квантовой интерференции на форму спектров такой системы. Рассмотрено влияние электронной релаксации на эффекты квантовой интерференции.

Так же рассмотрен новый механизм антипересечения, названный нами «динамическим антипересечением». Он становится возможен в системе со сверхтонким полем, вращающимся как целое в одной плоскости.

По материалам представленным в данной диссертации было опубликовано четыре статьи в зарубежных и центральных журналах: «Laser Physics», «Известия РАН», «Письма в ЖЭТФ» и материалы конференции «VII AFOSR Workshop on Isomers and Quantum Nucleonics».

Основные результаты диссертации были представлены на ряде конференций:

• Международная конференция «International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect» (ICAME) Монпелье, Франция, 2005 г.

• Международная конференция «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения».-Казань, 2000 г.; Санкт-Петербург, 2002 г.; Екатеринбург, 2004 г.; Ижевск, 2006 г.

• Международная конференция «Nanoscale properties of condensed matter probed by resonance phenomena», Казань 2004 г.

• Международная конференция «AFOSR Workshop on Isomers and Quantum Nucleonics», Дубна, 2005 г.; Нижний Новгород-Казань-Нижний Новгород, 2006 г.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Основные результаты, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие основные результаты:

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Юричук, Александр Александрович, Казань

1. Abraham, A. Influence des ultrasons sur l'émission et l'absorption de rayonnement sans recul / A. Abraham // C. R. Acad. Sci. — 1960. — Vol. 250.-Pp. 4334-4335.

2. Шапиро, Ф. JI. Эффект мессбауэра / Ф. Л. Шапиро // УФН. — 1960. Т. 72, № 4. - С. 685-696.

3. Mishory, J. Acoustic measurements using the mossbauer effect / J. Mishory, D. I. Bolef // Ultrasonics. 1969. - Vol. 7, no. 2. - Pp. 121122.

4. Heiman, N. D. R.f. induced sidebands in mossbauer spectra / N. D. Heiman, L. Pfeiffer, J. C. Walker // Phys.Rev.Lett. 1968.-Vol. 21, no. 2.-Pp. 93-96.

5. Heiman, N. D. Selective excitation of nuclear sublevels / N. D. Heiman, J. C. Walker // Phys. Rev. 1969. - Vol. 184, no. 1. - Pp. 281-284.

6. Pfeiffer, L. Collapse of the magnetic hyperfine field by intense r.f. perturbation / L. Pfeiffer // Journal of Appl.Phys. 1971. - Vol. 42, no. 4. -Pp. 1725-1726.

7. Pfeiffer, L. Mossbauer sidebands by r.f. excitation of magnetic materials / L. Pfeiffer, N. D. Heiman, J. C. Walker // Physical Review. 1972. — Vol. 68, no. 1. - Pp. 74-89.

8. Perlow, G. J. Influence of radio-frequency magnetic fields on the Mossbauer effect in magnetic 57Co sources / G. J. Perlow // Phys. Rev. — 1968. Vol. 172, no. 2. - Pp. 319-324.

9. Olariu, S. Multiphoton generation of optical sidebands to nuclear transitions / S. Olariu, I. Popescu, С. B. Collins // Phys. Rev. C.- 1981.-Vol. 23, no. 3. Pp. 1007-1014.

10. Srivastava, J. K. Radiofrequency, acoustic, microwave and optical perturbations of Mossbauer spectra / J. K. Srivastava // Advanced Mossbauer Spectroscopy:Appl. Phys., Chem., Biol. / Ed. by В. V. Thosar, et al. — Amsterdam, 1983. Pp. 761-813.

11. Влияние радиочастотного перемагничивания на гамма-резонансные спектры ферромагнетиков / Ю. В. Балдохин, С. А. Борщ, Л. М. Клингер, В. А. Повицкий // ЖЭТФ. 1972. - август. - Т. 63, №2(8).-С. 708-712.

12. Kopcewicz, М. Mossbauer study of the separation of the rf sideband and collapse effects in invar / M. Kopcewicz, A. Kotlicki // J.Phys.Chem.Solids. 1980. - Vol. 41, no. 6. - Pp. 631-635.

13. Kopcewicz, M. Mossbauer study of the fast magnetization reversal forced in permalloy and invar by an external rf magnetic field / M. Kopcewicz // Physica Status Solidi (a). 1978. - Vol. 46, no. 2. - Pp. 675-685.

14. Hack, M. N. Effect of radiofrequency resonance on natural line form / M. N. Hack, M. Hamermesh // Nuovo Cimento. 1961.- Vol. 19, no. l.-Pp. 546-556.

15. Autler, S. Stark effect in rapidly varying fields / S. Autler, C. Towns // Phys.Rev. 1965. - Vol. 100, no. 2. - Pp. 703-722.

16. Зельдович, Я. Б. Квазиэнергии квантовой системы подвергающейся периодическому воздействию / Я. Б. Зельдович // ЖЭТФ. — 1966. — Т. 5, № 5.-С. 1492-1495.

17. Митин, А. В. Гамма-магнитный резонанс / А. В. Митин // ЖЭТФ. 1967. - Т. 52, № 6. - С. 1596-1602.

18. Gabriel, Н. Effect of radio-frequency fields on mossbauer spectra / H. Gabriel // Phys.Rev. 1969. - Vol. 184, no. 2. - Pp. 359-363.

19. Влияние резонансного радиочастотного поля на сверхтонкую структуру ядерных уровней в парамагнитном кристалле / С. С. Якимов, А. Р. Мкртчян, В. Н. Зарубин и др. // Письма в ЖЭТФ. 1977. - Т. 26, № 1. - С. 16-19.

20. Вагизов, Ф. Г. Наблюдение гмр в замороженном водном растворе / Ф. Г. Вагизов, Р. А. Манапов, А. В. Митин // Оптика и спектроскопия. 1981. - Т. 5, № 6. - С. 941-943.

21. Bashkirov, Sh. Sh. The scattering of 7-rays in the regime of double resonance / Sh. Sh. Bashkirov, A. L. Beljanin, E. K. Sadykov // Physica Status Solidi (b). 1979. - Vol. 93, no. 1. - Pp. 437-442.

22. Mitin, A. V. Theory of mossbauer scattering under gamma magnetic resonance conditions / A. V. Mitin // Phys.Lett.A. — 1981.— Vol. 84, no. 5. Pp. 283-286.

23. Садыков, Э. К. К теории двойного гамма-резонанса в парамагнетиках / Э. К. Садыков // ФТТ,- 1981,- Т. 23, № 12.-С. 3699-3700.

24. Башкиров, Ш. Ш. Об одном механизме двойного гамма-резонанса / Ш. Ш. Башкиров, Э. К. Садыков // ФТТ. 1975. - Т. 17. - С. 18641866.

25. Dzyublik, A. Y. On the theory of double gamma-nuclear magnetic resonance / A. Y. Dzyublik // Physica Status Solidi (b).- 1981,- Vol. 104, no. 1. Pp. 81-88.

26. Sadykov, E. K. Theory of r.f. mossbauer spectra of the magnetics with magnetic anisotropy / E. K. Sadykov, A. I. Skvortsov // Physica Status Solidi (b). 1990. - Vol. 158, no. 2. - Pp. 685-694.

27. Sadykov, E. K. Mossbauer transition dynamics in conditions of strong exitation of nuclear spins / E. K. Sadykov, A. G. Isavnin, A. I. Skvortsov // Hyperfine Interactions. 1997. - Vol. 107, no. 1-4. - Pp. 257-275.

28. Афанасьев, A. M. Эффект коллапса в модели невзаимодействующих частиц стонера-вольфарта / А. М. Афанасьев, М. А. Чуев, Ю. Гессе // ЖЭТФ. 1998. - Т. 113, № 5. - С. 1799-1815.

29. Афанасьев, А. М. Мессбауэровские спектры частиц стонера-вольфарда в радичастотных полях в модифицированнойрелаксационной модели / А. М. Афанасьев, М. А. Чуев, Ю. Гессе // ЖЭТФ. 1999. - Т. 116, № 3(9). - С. 1001-1026.

30. Mossbauer experiments in radio frequency magnetic fields: A method for investigations of nanostructured soft magnetic materials / J. Hesse, T. Graf, M. Kopcewicz et al. // Hyperfine Interactions. — 1998. — Vol. 113, no. 1-4. Pp. 499-506.

31. Kopcewicz, M. The rf-Mossbauer study of the magnetic properties of nanocrystalline alloys / M. Kopcewicz // Journal of Alloys and Compounds. 2004. - Vol. 382, no. ? - Pp. 165-173.

32. Скалли, M. О. Квантовая Оптика / M. О. Скалли, М. С. Зубайри.— М.:Физматлит, 2003. 512 с.

33. Harris, S. Е. Nonlinear optical processes using electromagnetically induced transparency / S. E. Harris, J. E. Field, A. Imamoglu // Phys. Rev. Lett. 1990. - Vol. 64, no. 10. - Pp. 1107-1110.

34. Scully, M. O. Ultra-large index of refraction via quantum interference / M. O. Scully, S.-Y. Zhu // Opt. Commun.- 1992,- Vol. 87, no. 3. — Pp. 134-138.

35. Mollow, B. R. Stimulated emission and absorption near resonance for driven system / B. R. Mollow // Phys. Rev. A. — 1972. Vol. 5, no. 5. -Pp. 2217-2222.

36. Kocharovskaya, O. Amplification without inversion: the double-A scheme / O. Kocharovskaya, P. Mandel // Phys. Rev. A. — 1990. — Vol. 42, no. l.-Pp. 523-530.

37. Harris, S. E. Lasers without inversion: Interference of lifetime-broadened resonances / S. E. Harris // Phys. Rev. Lett. — 1989. — Vol. 62, no. 9. — Pp. 1033-1036.

38. Kocharovskaya, O. Lasing without inversion via decay-induced coherence / 0. Kocharovskaya, A. B. Matsko, Y. Rostovtsev // Phys. Rev. A. 2001. - Vol. 65, no. 1. - P. 013803.

39. Spontaneous emission and absorption properties of a driven three-level system. / L. M. Narducci, M. O. Scully, G. L. Oppo et al. // Phys. Rev.A. -1990. Vol. 42, no. 3. - Pp. 1630-1649.

40. Quenching of spontaneous emission via quantum interference / H. Lee, P. Polynkin, M. O. Scully, S.-Y. Zhu // Phys. Rev. A. 1997. - Vol. 55, no. 6. - Pp. 4454-4465.

41. Высоцкий, В. И. Гамма-лазеры / В. И. Высоцкий, Р. Н. Кузмин. — М.:МГУ, 1989.- 175 с.

42. Nonreciprocity of gamma emission and absorption due to quantum coherence at nuclear-level crossing / R. Coussement, M. Van den Bergh, G. S'heeren et al. // Phys. Rev. Lett.- 1993.- Vol. 71, no. 12.-Pp. 1824-1827.

43. Emission of gamma rays by electron-nuclear doubletransitions / S. Olariu, J. J. Carroll, С. B. Collins, I. I. Popescu // Hyperfine Interactions. — 1997. Vol. 107, no. 1-4. - Pp. 197-203.

44. Kocharovskaya, O. A. Coherent optical control of Mossbauer spectra / О. A. Kocharovskaya, R. L. Kolesov, Y. V. Rostovtsev // Phys.Rev.Lett. 1999. - Vol. 82, no. 18. - Pp. 3593-3596.

45. Stoner, E. C. A mechanism of magnetic hysteresis in heterogenerous alloys / E. C. Stoner, E. P. Wohlfarth // Philos. Trans. R. Soc. London Ser. A. 1948. - Vol. 240. - Pp. 599-642.

46. Магнитная сверхтонкая структура мессбауэровских спектров магнитных материалов типа «легкая плоскость» в рч-поле / Э. К. Садыков, Л. Л. Закиров, А. А. Юричук, Г. И. Петров // Известия РАН серия Физическая.— 2001.— Т. 65, № 7.— С. 946-951.

47. Brown, W. F. Thermal fluctuations of a single-domain particle / W. F. Brown // Physical Review. 1963. - Vol. 130, no. 5. - Pp. 16771686.

48. Jeener, J. Superoperators in magnetic resonance / J. Jeener // Advances in Magnetic Resonance / Ed. by J. S. Waugh. — New York: Academic, 1982,-Vol. 10.-Pp. 2-51.

49. Эрнст, P. ЯМР в одном и двух измерниях / Р. Эрнст, Д. Боденхаузен, А. Вскаун. М:Мир, 1990. - 570 с.

50. Turner, R. Е. Projected evolution superoperators and the density operator: theory and applications to inelastic scattering / R. E. Turner, J. S. Dahler, R. F. Snider // Canad. J. Phys. 1982. - Vol. 60, no. 10. -Pp. 1371-1386.

51. Straud, M. P. Group representations in the Liouville representation and the algebraic approach / M. P. Straud, R. S. Berry //J. Math. Phys. — 1982. Vol. 23, no. 4. - Pp. 587-593.

52. Afanasev, A. M. On the theory of mossbauer emission relaxation spect-pa / A. M. Afanasev, V. D. Gorobchenko // Physica Status Solidi (b). — 1976. Vol. 73, no. 1. - Pp. 73-79.

53. Schwegler, H. Line shape of mossbauer hyperfine spectra / H. Schwe-gler // Physica Status Solidi (b). 1970. - Vol. 41, no. 1,- Pp. 353357.

54. Берестецкий, В. Б. Квантовая электродинамика / В. Б. Берестецкий, Е. М. Лифшиц, Л. П. Питаевский. М."Наука 1980. - 704 с.

55. Weisskopf, V. F. Berechnung der natürlichen Linienbreite auf Grund der Diracschen Lichttheorie / V. F. Weisskopf, E. P. Wigner // Z. Phys. — 1930. Vol. 63. - Pp. 54-73.

56. Сявавко, M. С. Дробно-аналитическая аппроксимация эволюционного оператора / М. С. Сявавко // Доклады АН СССР. 1987. - Т. 5, № 297. - С. 1065-1067.

57. Scott, G. В. Magnetic domain properties of РеВОз / G.B. Scott / / J.Phys.D: Appl.Phys. 1974. - Vol. 7, no. 11. - Pp. 1574-1587.

58. Кочаровская, О. А. Когерентное усиление ультракороткого импульса в трехуровневой среде без инверсии населенностей / О. А. Кочаровская, Я. И. Ханин // Письма в ЖЭТФ.— 1988.— Т. 48, № И.-С. 581-584.

59. Boiler, K.-J. Observation of electromagnetically induced transparency / K.-J. Boiler, A. Imamolu, S. E. Harris // Phys. Rev. Lett. 1991. — Vol. 66, no. 20. - Pp. 2593-2596.

60. Scully, M. O. Enhancement of the index of refraction via quantum coherence / M. 0. Scully // Phys. Rev. Lett. 1991. - Vol. 67, no. 14. -Pp. 1855-1858.

61. Vagizov, F. G. The splitting of hyperfine lines of 57Fe nuclei in rf magnetic field / F. G. Vagizov // Hyperfine Interactions. — 1990. — Vol. 61, no. 1-4. Pp. 1359-1364.

62. Observation of Mossbauer resonance line splitting caused by Rabi oscillations / I. Tittonen, M. Lippmaa, E. Ikonen et al. // Phys. Rev. Lett. — 1992. Vol. 69, no. 19. - Pp. 2815-2818.

63. Zhu, S.-Y. Quantum-mechanical interference effects in the spontaneous-emission spectrum of a driven atom / S.-Y. Zhu, L. M. Narducci, M. 0. Scully // Phys. Rev.A. 1995. - Vol. 52, no. 6. - Pp. 4791-4802.

64. Spontaneous emission and absorption properties of a driven three-level system. II. The A and cascade models / A. S. Manka, H. M. Doss, L. M. Narducci et al. // Phys. Rev. A. 1991. - Vol. 43, no. 7. - Pp. 3748-3763.

65. Sadykov, E. K. The theory of double gamma resonance in paramagnet-ics / E. K. Sadykov // Physica Status Solidi (b).- 1984,- Vol. 123, no. 2. Pp. 703-709.

66. Sadykov, E. K. On the theory of double gamma electronic magneticresonance in paramagnetic systems / E. K. Sadykov, A. I. Skvortsov // Physica Status Solidi (b). 1987. - Vol. 143, no. 2. - Pp. 699-707.

67. Blume, M. Stochastic theory of line shape: Generalization of the Kubo-Anderson model / M. Blume // Phys. Rev. 1968. - Vol. 174, no. 2. -Pp. 351-358.

68. Артемьев, А. Исследование мессбауэровского спектра резонансно рассеянного ядерного излучения Fe57 / А. Артемьев, Г. Смирнов, Е. Степанов // ЖЭТФ. 1968. - Т. 54, № 4. - С. 1028-1030.

69. Quantum beats from nuclei excited by synchrotron radiation / E. Gerdau, R. Riiffer, R. Hollatz, J. P. Hannon // Phys. Rev.Lett. 1986. - Vol. 57, no. 9.-Pp. 1141-1144.

70. Nuclear Bragg diffraction of synchrotron radiation in yttrium iron garnet / E. Gerdau, R. Riiffer, H. Winkler et al. // Phys. Rev.Lett. 1985.-Vol. 54, no. 8. - Pp. 835-838.

71. Садыков, Э. К. Квантовая интерференция в спектрах мессбауэровского рассеяния / Э. К. Садыков, В. В. Аринин, Ф. Г. Вагизов // Письма в ЖЭТФ. — 2005,- Т. 82, № 7.-С. 484-488.

72. Coussement, R. Quantum interferences at nuclear level crossing / R. Coussement, G. Neyens // Hyperfine Interactions. — 1997. — Vol. 107, no. 1-4. Pp. 307-316.

73. Controlling absorption of gamma radiation via nuclear level anticrossing /

74. R. Coussement, Y. Rostovtsev, J. Odeurs et al. // Phys. Rev. Lett.— 2002. Vol. 89, no. 10. - P. 107601.

75. The effect of radiofrequency modulation of 57Fe hyperfine interaction by rotating magnetic field / F. G. Vagizov, R. A. Manapov, E. K. Sadykov, L. L. Zakirov // Hyperfine Interactions. — 1998. — Vol. 116, no. 1-4. — Pp. 91-104.

76. Sambe, H. Steady states and quasienergies of a quantum-mechanical system in an oscillating field / H. Sambe // Phys. Rev. A. — 1973. — Vol. 7, no. 6. Pp. 2203-2213.