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实验十八 铁磁共振（FMR)在现代,铁磁共振也和顺磁共振、核磁共振……等一样是研究物质宏观性能和微观结构的有效手段.铁磁共振在磁学乃至固体物理学中都占有重要地位，它是微波铁氧体物理学的基础。
而微波铁氧体在雷达技术和微波通讯方面都已获得重要应用。
早在1935年著名苏联物理学家兰道（л·д·лaHдay )等就提出铁磁性物质具有铁磁共振特性。
十几年后超高频技术发展起来，才观察到铁磁共振现象。
多晶铁氧体最早的铁磁共振实验发表于1948年，以后的工作则多采用单晶样品，这是因为多晶样品的共振吸收线较宽，又非洛仑兹分布，也不对称；并在许多样品中出现细结构.单晶样品的共振数据易于分析，不仅普遍被用来测量g 因子、共振线宽及弛豫时间，而且还可以测量磁晶各向异性参量. 【实验目的】1。
熟悉微波信号源的组成和使用方法，学习微波装置调整技术。
2。
了解铁磁共振的基本原理，学习用谐振腔法观测铁磁共振的测量原理和实验条件. 3.测量微波铁氧体的铁磁共振线宽；测量微波铁氧体的g 因子。
【实验仪器】DH800A 型微波铁磁共振实验系统和示波器等。
【实验原理】 1。
铁磁共振铁磁物质的磁性来源于原子磁矩，一般原子磁矩主要由未满壳层电子轨道磁矩和电子自旋磁矩决定。
在铁磁性物质中，电子轨道磁矩受晶场作用，其方向不停地在变化，不能产生联合磁矩，对外不表现磁性,故其原子磁矩来源于未满壳层中未配对电子的自旋磁矩。
但是,铁磁性物质中电子自旋由于交换作用形成磁有序,任何一块铁磁体内部都形成许多磁矩取向一致的微小自发磁化区(约个原子）称为“磁畴”，平时“磁畴"的排列方向是混乱的，所以在未磁化前对外不显磁性，在足够强的外磁场作用下，即可达到饱和磁化,引用磁化强度矢量M ,它表征铁磁物质中全体电子自旋磁矩的集体行为，简称为系统磁矩M .处于稳恒磁场B 和微波磁场H 中的铁磁物质，它的微波磁感应强度H 可表示为0b=ij H μμ （1）ij μ称为张量磁导率,0μ为真空中的磁导率.,10000⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-=μμμjKjKij （2）μ、K 称为张量磁导率的元素.=-j μμμ'''=K -jK K ''' （3）μ、K 的实部和虚部随B 的变化曲线如图1(a 、b ）图1 a 实部变化曲线 b 虚部变化曲线μ'、K '在0B γωγ=处的数值和符号都剧烈变化称为色散.μ''、K ''在0ωγ处达到极大值称为共振吸收，此现象即为铁磁共振.这里0ω为微波磁场的旋转频率，γ为铁磁物质的旋磁比.g h B⋅=πμγ2 （4)上式中:2419.2741102B eeJ T m μ--==⨯⋅，称为玻尔磁子,346.626210h J s -=⨯⋅，是普朗克常数.μ''定义为铁磁物质能的损耗，微波铁磁材料在频率为0f 的微波磁场中,当改变铁磁材料样品上的稳恒磁场B 时，在满足00B B ωγ==时，此时磁损耗最大，常用共振吸收线宽ΔB 来描术铁磁物质的磁损耗大小。
磁共振的原理固体在恒定磁场和高频交变电磁场的共同作用下，在某一频率附近产生对高频电磁场的共振吸收现象。
在恒定外磁场作用下固体发生磁化，固体中的元磁矩均要绕外磁场进动。
由于存在阻尼，这种进动很快衰减掉。
但若在垂直于外磁场的方向上加一高频电磁场，当其频率与进动频率一致时，就会从交变电磁场中吸收能量以维持其进动，固体对入射的高频电磁场能量在上述频率处产生一个共振吸收峰。
若产生磁共振的磁矩是顺磁体中的原子（或离子）磁矩，则称为顺磁共振；若磁矩是原子核的自旋磁矩，则称为核磁共振。
若磁矩为铁磁体中的电子自旋磁矩，则称为铁磁共振。
核磁矩比电子磁矩约小3个数量级，故核磁共振的频率和灵敏度比顺磁共振低得多；同理，弱磁物质的磁共振灵敏度又比强磁物质低。
从量子力学观点看，在外磁场作用下电子和原子核的磁矩是空间量子化的，相应地具有离散能级。
当外加高频电磁场的能量子hv等于能级间距时，电子或原子核就从高频电磁场吸收能量，使之从低能级跃迁到高能级，从而在共振频率处形成吸收峰。
利用顺磁共振可研究分子结构及晶体中缺陷的电子结构等。
核磁共振谱不仅与物质的化学元素有关，而且还受原子周围的化学环境的影响，故核磁共振已成为研究固体结构、化学键和相变过程的重要手段。
核磁共振成像技术与超声和X射线成像技术一样已普遍应用于医疗检查。
铁磁共振是研究铁磁体中的动态过程和测量磁性参量的重要方法。
磁共振基本原理磁共振（回旋共振除外）其经典唯象描述是：原子、电子及核都具有角动量，其磁矩与相应的角动量之比称为磁旋比γ。
磁矩M 在磁场B中受到转矩MBsinθ（θ为M与B间夹角）的作用。
此转矩使磁矩绕磁场作进动运动，进动的角频率ω=γB，ωo称为拉莫尔频率。
由于阻尼作用，这一进动运动会很快衰减掉，即M达到与B平行，进动就停止。
但是，若在磁场B的垂直方向再加一高频磁场b（ω）（角频率为ω），则b（ω）作用产生的转矩使M离开B，与阻尼的作用相反。
如果高频磁场的角频率与磁矩进动的拉莫尔（角）频率相等ω =ωo，则b（ω）的作用最强，磁矩M的进动角（M与B角的夹角）也最大。
铁磁共振实验报告06系05级熊力PB05210489 实验目的：学习用传输式谐振腔法研究铁磁共振现象，测量YIG小球（多晶）的共振线宽和g因子。
实验原理：铁磁共振实验是了解铁原子中电子的磁共振现象。
自旋不为零的粒子，如电子和质子，具有自旋磁矩。
如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为ΔE = γhB（1）为稳恒外磁场。
其中：γ为旋磁比，h为约化普朗可常数，B如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为hν（2）其中：ν为交变电磁场的频率。
当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即：（3）hν = γh B2πν = γ B（4）低能极上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。
铁磁共振实际上是铁原子的电子自旋顺磁共振，电子能级裂距约为核磁能级裂距的1840倍。
所以能级间跃迁所需的能量要比核磁共振需要的能量大的多，因此我们用微波（约9GHZ）来提供电子跃迁所需的能量。
在实验中微波的频率ν是固定的，其提供的能量hν也是固定的。
为使铁原子中电子能级间的能量差能等于该值，我们改变直流磁场的电压值，使外磁场磁感应强度B变化，因而使电子能级间的能量差γhB随之改变，使其扫过微波能量值hν，使等式hν = γhBr成立，产生铁磁共振。
Br为谐振点处的磁感应强度值。
实验设备： 微波发生器，隔离器，定向耦合器，晶体检波器，微安计，谐振腔，铁氧体小球，精密衰减器，磁铁，示波器 实验处理： 1．测谐振频率：打开微波电源，先预热半个小时，调节衰减器，使微安表有56μA 的指示。
然后旋转波长表的螺旋测微器，微安表电流指示逐渐减小，当电流达最小值时，读取螺旋测微器刻度值，对照刻度值与频率的关系对照表，得微波频率值。
实验刚开始时，测得结果见下：由此可求出谐振频率为：6111(2.963 2.965 2.962 2.960 2.963 2.960) 2.96266i i mm mm λλ-===⨯+++++=∑对应的频率为8997MHZ第一次测量之后，旋转波长表的螺旋测微器，使微安表示数较大。
磁学中的铁磁共振现象与应用磁学是物理学中的一个分支，研究磁场的产生、性质和应用。
在磁学中，铁磁共振是一个重要的现象，它在磁学研究和应用中具有广泛的意义。
铁磁共振是指当一个铁磁体受到外加磁场的作用时，它的磁化强度会发生共振的现象。
这是由于铁磁体中的磁矩在外加磁场的作用下发生预cession运动，类似于陀螺的旋转。
当外加磁场的频率等于铁磁体的共振频率时，磁矩的共振效应达到最大值。
铁磁共振现象的发现和研究对于深入理解磁性物质的性质和磁场的作用机制具有重要意义。
通过研究铁磁共振现象，科学家们可以了解铁磁体的磁化过程和磁矩的行为规律，进一步揭示了磁性物质的微观结构和磁性行为。
除了在磁学研究中的应用，铁磁共振还有许多实际应用。
其中一个重要的应用是核磁共振成像（MRI）。
MRI是一种非侵入性的医学影像技术，可以用来观察人体内部的结构和功能。
它利用铁磁共振现象来探测人体组织中的核磁共振信号，通过对这些信号的处理和分析，可以生成详细的图像。
MRI技术在医学诊断中起到了重要的作用。
它可以用来检测和诊断各种疾病，如肿瘤、心脏病、脑部疾病等。
与传统的X射线和CT扫描相比，MRI具有更高的分辨率和更好的对比度，可以提供更准确的诊断结果。
此外，MRI还可以用来观察人体内部器官和组织的功能活动，如心脏的收缩和舒张、脑部的血流等，对疾病的治疗和康复也有重要的指导意义。
除了医学应用，铁磁共振还在其他领域得到了广泛的应用。
例如，在材料科学中，铁磁共振可以用来研究材料的磁性和电子结构，对于开发新型材料和改进材料性能具有重要意义。
在电子技术中，铁磁共振可以用来制造磁存储器件，如硬盘驱动器和磁带。
此外，铁磁共振还可以用来研究自旋电子学和量子信息等前沿领域的问题。
总之，铁磁共振是磁学中一个重要的现象，它在磁学研究和应用中具有广泛的意义。
通过研究铁磁共振现象，科学家们可以深入理解磁性物质的性质和磁场的作用机制。
同时，铁磁共振还有许多实际应用，如核磁共振成像在医学诊断中的应用。
当左、右旋圆偏振光在置于磁场中的媒质内传播而有不同的吸收系数时，入射的线偏振光传播一段距离后会变为椭圆偏振光，这个效应叫法拉第椭圆度效应或磁圆二向色性效应,简记为MCD。
法拉第椭圆度和法拉第旋转均由媒质的介电张量非对角组元的实部和虚部决定。
科顿－穆顿效应又称磁双折射效应，简记为MLB。
基于磁介质听传输短的边界矩阵处理方法，建立了多层旋磁介质材料耦合法拉第角计算模型，分析了BiDyIG多层石榴石旋磁薄法拉第角频谱、结果表明分层「Bi：DyIG/Al」材料在300－580nm波长范围具有中的法拉第效应，这有有利于短波高密度磁光记录和微波法拉第器件性能改善。
光与磁场中的物质，或光与具有自发磁化强度的物质之间相互作用所产生的各种现象，主要包括法拉第效应、科顿-穆顿效应、克尔磁光效应、塞曼效应和光磁效应。
法拉第效应线偏振光透过放置磁场中的物质，沿着磁场方向传播时，光的偏振面发生旋转的现象。
也称法拉第旋转或磁圆双折射效应,简记为MCB。
一般材料中，法拉第旋转（用旋转角θF表示）和样品长度l、磁感应强度B有以下关系θF=VlB,V是与物质性质、光的频率有关的常数,称为费尔德常数。
因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉莫尔进动，当光的传播方向相反时，偏振面旋转角方向不倒转，所以法拉第效应是非互易效应。
这种非互易的本质在微波和光的通信中是很重要的。
许多微波、光的隔离器、环行器、开关就是用旋转角大的磁性材料制作的。
图1是隔离器的原理。
利用法拉第效应，还可实现光的显示、调制等许多重要应用。
当左、右旋圆偏振光在置于磁场中的媒质内传播而有不同的吸收系数时，入射的线偏振光传播一段距离后会变为椭圆偏振光，这个效应叫法拉第椭圆度效应或磁圆二向色性效应,简记为MCD。
法拉第椭圆度和法拉第旋转均由媒质的介电张量非对角组元的实部和虚部决定。
科顿－穆顿效应又称磁双折射效应，简记为MLB。
是1907年A.科顿和H.穆顿发现的。
W.佛克脱对它进行了较仔细的研究，故也称佛克脱效应。
铁磁共振实验中过科技大学 邱正明一. 基本原理铁磁共振实验是了解铁原子中电子的磁共振现象。
基本原理：自旋不为零的粒子,如电子和质子,具有自旋磁矩。
如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为:0B h E γ=∆ （1）其中：γ为旋磁比，h 为约化普朗可常数，B 0为稳恒外磁场。
如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为:νh （2）其中：ν为交变电磁场的频率。
当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即：o B h h γν= （3）2πν=γB 0 （4）低能极上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁，即所谓的磁共振。
二. 实验设备图一a.样品为铁氧体，提供实验用的铁原子。
b.电磁铁，提供外磁场，使铁原子能级分裂。
c.微波，提供能量，使低能级电子跃迁到高能级。
d.波导，单方向传导微波，使其通过样品。
e.波长表，测量微波的波长。
f.谐振腔，其谐振频率与微波的频率相等，进入的微波与其谐振，样品即放在波峰处，该处的微波磁场与外磁场垂直。
g.固体微波信号源，产生9GH Z左右的微波信号。
h.隔离器，使微波只能单方向传播。
i.衰减器，控制微波能量的大小。
j.输出端，含有微波检波二极管，其输出电流与输入的微波功率成正比。
k.直流磁场电压源，给电磁铁提供励磁电流，改变输出电压的大小即可改变磁场的大小。
l.微安表，指示检波电流的大小。
m.微波电源，为固体微波信号源提供电源。
三. 实验原理铁磁共振实际上是铁原子的电子自旋顺磁共振，在相同的外磁场中电子能级裂距约为核磁能级裂距的1840倍。
所以能级间跃迁所需的能量要比核磁共振需要的能量h ν大的多，因此我们用微波（约ν=9GH Z ）来提供电子跃迁所需的能量。
在实验中微波的频率ν是固定的，其在谐振腔中样品处的能量h ν也是固定的。
要产生磁共振电子能级间的能量差B h γ必须等于该值，我们改变励磁电流值，使外磁场磁感应强度B 变化，因而使电子能级间的能量差B h γ随之改变，当其接近于微波能量值νh 时，电子就要吸收微波磁场的能量，产生铁磁共振，表现为检波二极管的输出电流减小，电流最小值对应的外磁场B r 为谐振时的磁感应强度值，此时等式r B h h γν=成立，B r 由实验所测得的共振吸收曲线（图三）求得，ν由波长表测出，γ即可求出。
磁性材料的自旋波与反铁磁共振磁性材料在现代科技中扮演着重要的角色。
通过磁性材料，我们可以制造出各种各样的设备，从小到大，无所不包。
而在磁性材料中，自旋波和反铁磁共振是两个非常重要的现象。
它们不仅有着深刻的理论内涵，还有着广泛的应用价值。
自旋波是磁性材料中一种特殊的激发态。
在一个磁性材料中，电子的自旋会因为外加磁场的作用而发生持续的预cession（即类似地球自转的运动）。
而这种预cession的动力学行为可以被看作一种激发，也就是我们常说的自旋波。
它是一种集体激发，类似于声波在固体中的传播，具有特定的频率和波长。
自旋波的发展对于理解磁性材料的性质至关重要。
它可以帮助我们揭示磁性材料的基本性质，探索磁性材料的相互作用机制。
通过精确测量自旋波的频率和波长，我们可以确定磁性材料的反磁性交换作用、自旋波色散关系等重要参数，从而深入了解材料的微观结构。
这对于材料设计和性能优化具有重要的指导意义。
与自旋波相类似的是反铁磁共振现象。
反铁磁是一类特殊的磁性材料，其中的磁性原子排列形成了平行和反平行的局域磁场，从而相互抵消了总体的磁性。
反铁磁共振是指当这样的材料处于外加磁场中时，反铁磁体系中的电子自旋也会产生类似于自旋波的集体激发。
不同于自旋波的是，反铁磁共振在各个反铁磁颗粒之间会发生相互耦合，形成一个全局性的自旋激发现象。
反铁磁共振同样具有重要的理论和应用价值。
它可以帮助我们研究材料的动力学行为，揭示材料中的结构、热力学和磁动力学性质。
通过研究反铁磁共振，我们可以了解材料的磁各向异性和耦合机制等信息，为材料的应用和发展提供重要依据。
比如，研究反铁磁共振可以帮助我们设计更高效的磁存储设备，开发出更高性能的传感器和磁性材料。
除了理论研究外，自旋波和反铁磁共振在实际应用中也得到了广泛的应用。
比如在信息处理中，利用自旋波可以制造出基于自旋的逻辑门和存储器，实现更快、更低功耗的信息处理；在磁存储技术中，利用反铁磁共振可以实现更高密度、更稳定的数据存储。
