Ядерна магнітна релаксація та багатоквантова спектроскопія. Ядерна магнітна релаксація магнітних напівпровідників з домішками та інших матеріалів

Застосування отриманих теоретичних співвідношень до ЯМР ядер 53Cr в CdCr2Se4:Ag при T = 4.2 K дозволило зрозуміти частотні залежності швидкості релаксації одноквантових і трьохквантових сигналів спінової луни як такі, що виникають внаслідок флуктуацій напрямку електронної намагніченості. Шляхом аналізу залежності швидкості загасання трьохквантової спінової луни ядер 53Cr від резонансної частоти знайдено ядра двох типів, що відрізняються за релаксаційним механізмом. Ядра, для яких домінуючим механізмом є несекулярні флуктуації, віднесено до іонів, що належать домішковим кластерам на базі іонів срібла. Секулярні флуктуації спричиняють релаксацію ядер решти іонів. Припущення про наявність домішкових кластерів узгоджується із зробленим вище припущенням про механізм формування флуктуацій напрямку намагніченості.

Висновки

В роботі обґрунтовано та розвинуто новий метод експериментального дослідження магнітних матеріалів - метод багатоквантової ЯМР спектроскопії магнетиків. Розвинуто теоретичні підходи до аналізу умов формування та спектроскопічних властивостей багатоквантових сигналів спінової луни від квадрупольних ядер. Отримала подальший розвиток теорія ядерної магнітної релаксації в речовинах з магнітним упорядкуванням. Основні результати роботи полягають в наступному:

1. Розвинуто теоретичні підходи до аналізу умов формування і спектроскопічних властивостей сигналів ядерної спінової луни в речовинах з магнітним упорядкуванням.

1.1 Здійснене чисельне моделювання експериментів з когерентного збудження та реєстрації сигналів спінової луни від ядер 57Fe в плівках залізо-ітрієвого ферит-граната з урахуванням неоднорідності коефіцієнта підсилення ЯМР. Шляхом узгодження розрахункових та експериментальних результатів встановлено магнітну двофазність зразків, що досліджено.

1.2 В наслідок чисельних розрахунків амплітуди багатоквантових двохімпульсних сигналів спінової луни від квадрупольних ядер з напівцілим спіном I > 3/2 в речовинах з магнітним упорядкуванням отримано, що

- тривалість першого збуджуючого імпульсу має бути приблизно удвічі більше ніж тривалість другого, а амплітуда змінного магнітного поля в імпульсах має бути порівняною за порядком величини з квадрупольним розщепленням спектру ЯМР;

- збільшення моменту часу, в який формується спінова луна, на ( - тривалість затримки між імпульсами) призводить до зникнення зі спектру спінової луни двох крайніх квадрупольних сателітів так, що для багатоквантової спінової луни з найбільш можливим часом формування відсутні всі квадрупольні сателіти.

1.3 Результати розрахунків підтверджено експериментально на сигналах ЯМР ядер 55Mn (спін I = 5/2) при T = 77 K в полікристалічному зразку перовськиту GdCu3Mn4O12 та в феромагнітній шпінелі Li0.5Fe2.5O4:Mn.

1.4 Шляхом аналізу сигналів спінової луни, які спостерігаються експериментально при і в плівках кобальту при температурі T = 4.2 K показано, що оптимальні умови формування цих сигналів не відповідають умовам формування багатоквантових сигналів спінової луни. Механізм формування цих сигналів обумовлено динамічними ефектами внаслідок сильного зв'язку між ядерною та обмінно упорядкованою магнітними підсистемами так, що сигнал ядерної спінової луни ефективно виступає у якості збуджуючого імпульсу.

2. Шляхом порівняння розрахункових та експериментальних результатів показано, що додаткові сигнали спінової луни з часом формування , які спостерігаються на ядрах 63Cu і 65Cu тетраедричних іонів міді в феромагнітній шпінелі CuCr2S4 при T = 77 K є багатоквантовими сигналами спінової луни від квадрупольних ядер. Вперше здійснено детальне дослідження багатоквантових сигналів спінової луни, що формуються внаслідок трьохімпульсного збудження. Розрахункові результати часу формування багатоквантових трьохімпульсних сигналів спінової луни підтверджено експериментально на прикладі ЯМР ядер 63Cu в CuCr2S4:Sb при T = 77 K.

3. Для теоретичного аналізу процесів ядерної магнітної релаксації в речовинах з магнітним упорядкуванням запропоновано застосовувати механізми, яки пов'язані з флуктуаціями локальних магнітних полів на ядрах. На випадок ЯМР квадрупольних ядер, поряд з флуктуаціями локальних магнітних полів, запропоновано враховувати флуктуації величини квадрупольного розщеплення ЯМР спектру.

3.1 У якості модельного зразка, який демонструє релаксаційний внесок флуктуацій локальних магнітних полів, запропоновано розглядати рідину з малою концентрацією магнітного наповнювача за умов спостерігання сигналу від ядер рідини. У якості приклада наведено збільшення швидкості загасання амплітуди двохімпульсної спінової луни від протонів бензолу внаслідок збільшення вмісту наночастинок магнетиту, що спостерігалося експериментально.

3.2 Отримано теоретичні співвідношення для залежності амплітуди сигналів ядерної спінової луни від інтервалів часу між збуджуючими імпульсами на випадки двохімпульсного та трьохімпульсного збудження. Теоретичні співвідношення, які отримано в загальному вигляді, придатні для аналізу як одноквантових, так і багатоквантових сигналів спінової луни від квадрупольних ядер в речовинах з магнітним упорядкуванням.

3.3 Показано, що на відміну від несекулярних квадрупольних флуктуацій, секулярна частина гамільтоніану квадрупольних взаємодій, що флуктуюють не дає внеску в швидкість загасання як одноквантових, так і багатоквантових сигналів спінової луни на частоті центральної лінії квадрупольного спектру ЯМР (спектроскопічний перехід ).

3.4 Отримані співвідношення застосовано для аналізу результатів ЯМР експериментів на ядрах 53Cr в CdCr2Se4 і CdCr2Se4:Ag при T = 4.2 K і T = 77 K. Зокрема показано, що двохекспоненціальна залежність амплітуди трьохімпульсної спінової луни при ( - інтервал часу між другим та третім збуджуючими імпульсами) від інтервалу часу між двома першими збуджуючими імпульсами обумовлена властивостями квадрупольної ядерної спінової системи і не пов'язана з магнітною гетерогенністю зразка.

3.5 Продемонстровано застосування підходу, що розвинуто до опису релаксаційних властивостей трьохімпульсних багатоквантових сигналів спінової луни від квадрупольних ядер 63Cu в CuCr2S4:Sb при T = 77 K та отримано узгодження між теорією та експериментом .

4. В якості механізму, що призводить до флуктуацій локальних магнітних полів і квадрупольного розщеплення спектру ЯМР на ядрах іонів, локальна симетрія оточення яких нижча за кубічну, запропоновано розглядати флуктуації напрямку вектора електронної намагніченості. Підхід, що запропоновано дозволив пояснити експериментальні залежності швидкості загасання амплітуди двохімпульсної спінової луни від резонансної частоти спектральної лінії ЯМР ядер 57Fe октаедричних іонів Fe3+ в Y3Fe5O12 при T = 77 K та ядер 53Cr в CdCr2Se4 при T = 4.2 K.

5. Для аналізу впливу гетеровалентного легування на фізичні властивості магнетиків на основі потрійних сполук розвинуто модель домішкових кластерів. Робиться припущення, що внаслідок термодинамічних процесів надлишковий носій заряду мігрує з одного іона на інший поблизу домішки. Домішковий кластер складається з іонів, що приймають участь в обміні надлишковим носієм заряду.

5.1 Домішкові кластери, для яких ефекти термодинамічних флуктуацій напрямку вектора електронної намагніченості є найбільш сильними, запропоновано розглядати в якості центрів швидкої ядерної спін-ґраткової релаксації.

5.2 На підставі аналізу, який здійснено в межах теорії перколяції, для експериментів з магнітної релаксації ядер 57Fe в плівках Y3Fe5O12 з домішками кременю для ефективного радіусу домішкового кластеру отримано оцінку м.

5.3 Для легованих магнітних напівпровідників на основі селено-хроміту кадмію запропоновано модель перескоків надлишкового носія заряду, яку розвинуто за аналогією з моделлю подвійного обміну. Показано, що внаслідок електронного легування обмінні взаємодії усередині кластеру підсилюються, а в наслідок діркового - зменшуються. Обмінні взаємодії між іонами матриці та кластеру практично не відрізняються від обмінних взаємодій між іонами матриці. Обмінні взаємодії між іонами різних кластерів є такими ж за величиною, як і усередині кластера.

6. Здійснено аналіз впливу ефектів змінної валентності на сигнали ядерної спінової луни в речовинах з магнітним упорядкуванням.

6.1 Запропоновано метод комп'ютерного моделювання імпульсних відгуків ЯМР за умов флуктуацій магнітних та квадрупольних взаємодій, який полягає в відокремленні інтервалів часу, протягом яких магнітне поле та квадрупольне розщеплення є можливим вважати такими, що не змінюються. Знайдено, що для таких розрахунків слід надавати перевагу точним рішенням рівнянь руху намагніченості, а не розкладанням цих рівнянь в ряд по малому параметру, яким, наприклад, може бути тривалість інтервалу.

6.2 Показано, що для комп'ютерного моделювання марковських стохастичних процесів час, протягом якого локальні поля на ядрах можна вважати незмінними, є випадкова величина з експоненціальним розподілом. Максимум розподілу відповідає нульовій тривалості інтервалу часу, а ширина розподілу визначається часом кореляції випадкового процесу. Запропоновано генератори псевдовипадкових послідовностей для гаусового, лоренцевого та бінарного марковських процесів, що описують зміну локальних полів на ядрах.

6.3 Шляхом аналізу експериментів з дослідження релаксаційних властивостей трьохімпульсних сигналів спінової луни ядер 63Cu та 53Cr в CuCr2S4:Sb при T = 77 K показано, що магнітні та квадрупольні флуктуації слід розглядати як взаємопов'язані внаслідок того, що вони обумовлені єдиним механізмом. Я якості такого механізму запропоновано розглядати іонний обмін Cr3+Cr4+.

6.4 На прикладі ЯМР ядер 53Cr в CuCr2S4 при T = 77 K показано, що за умов швидкого обміну Cr3+Cr4+, поряд з надтонким магнітним полем, слід усереднювати внесок власної електронної оболонки іона як до анізотропної складової магнітного поля, так і до ГЕП на ядрі. Для розрахунків внесу кристалічної ґратки до ГЕП на ядрах 53Cr в халькогенідних шпінелях хрому, за аналогією до кисневих шпінелей, для аніонів слід враховувати електричні дипольні моменти, які наведено кристалічним полем.

6.5 Параметри ЯМР спектру ядер кластерних іонів усереднюються відповідно до загальної кількості іонів та кількістю додаткових носіїв заряду.

Таким чином за сукупністю результатів, що отримано в роботі вирішено важливу для магнетизму проблему впливу обмінно упорядкованої електронної спінової системи, кристалічної структури та хімічного складу магнетиків з домішками на особливості формування, спектри і релаксацію одноквантових та багатоквантових сигналів спінової луни від ядер іонів, для яких локальна симетрія є нижчою за кубічну. Завдяки розділенню магнітних та квадрупольних внесків до спектрів ЯМР і ядерної магнітної релаксації розвинутий в роботі метод багатоквантової ЯМР спектроскопії магнетиків є можливим розглядати в якості методу ЯМР високої роздільної здатності для речовин з магнітним упорядкуванням.

Список публікацій за темою дисертації

1. Angular dependence of nuclear spin echo decay in thin-film yttrium iron garnet / Abelyashev G . N., Berzhansky V. N., Polulyakh S. N., Sergeev N. A. // JMMM. - 1995. - V. 147. - P. 305-308.

2. Ядерный магнитный резонанс в веществах с магнитным порядком / Абеляшев Г. Н., Бержанский В. Н., Полулях C. Н., Cергеев Н. А. // Ученые записки СГУ, Серия "Физика". - 1995. - Т. 2(41). - С. 125-130.

3. Анизотропия затухания ядерного спинового эха в пленках железо-иттриевого феррита-граната / Абеляшев Г. Н., Бержанский В. Н., Полулях C. Н., Cергеев Н. А. // ЖЭТФ. - 1995. - Т. 108, В. 6. - С. 2076-2083.

4. Полулях C. Н. Спектральная диффузия и затухание сигналов спинового эха в неоднородно уширенных системах с квадрупольных взаимодействием / Полулях C. Н., Cергеев Н. А. // ЖЭТФ. - 1995. - Т. 108, В. 7. -С. 14-22.

5. Полулях C. Н. Моделирование динамических процессов в обменно связанной системе магнитных моментов / Полулях C. Н. // Ученые записки СГУ, Серия "Физика". - 1997. - Т. 4(43). - С. 41-52.

6. Кинетические и резонансные свойства Y3Fe5-xSixO12 / Бержанский В. Н., Власова Т. А., Горбованов А. И., Евстафьев И. И., Лагунов И. В., Полулях C. Н. // Ученые записки СГУ, Серия "Физика". - 1998. - Т. 7(46). - С. 116-118.

7. Transverse magnetic relaxation of 53Cr nuclei in Ag-doped CdCr2Se4 / Abelyashev G. N., Berzhansky V. N., Polulyakh S. N., Sergeev N. A. // JMMM. - 1998. - V.184. - P. 222-226.

8. Ядерная магнитная релаксация в ферримагнитных пленках Y3Fe5-xSixO12 / Бержанский В. Н., Горбованов А. И., Полулях C. Н., Пронина Н. В. // ФТТ. - 1998. - Т. 40, В.8. - С. 1494-1497.

9. The NMR Study of Fluctuations in Orientation of the Electron Magnetization / Abelyashev G. N., Berzhansky V. N., Polulyakh S. N., Sergeev N. A. // NATO ASI Series 3: High Technology. - 1998. - V. 49. - P. 271-275.

10. Cапига А. В. Cпектры ЯМР протонов воды в порошках цеолитов / Cапига А. В., Полулях C. Н. // Ученые записки СГУ, Серия "Физика". - 1999. - Т. 12(51), №. 1. - С. 149-151.

11. Бержанский В. Н. Трехимпульсные многоквантовые сигналы спинового эха от квадрупольных ядер в магнитоупорядоченных веществах / Бержанский В. Н., Горбованов А. И., Полулях C. Н. // ЖЭТФ. - 1999. - Т. 115, В. 6. - С. 2106-2112.

12. Несекулярный вклад в затухание сигналов спинового эха квадрупольных ядер в магнитоупорядоченных веществах / Абеляшев Г. Н., Бержанский В. Н., Горбованов А. И., Полулях C. Н., Cергеев Н. А. // ЖЭТФ. - 1999. - Т. 116, В. 1. - С. 204-216.

13. Сигналы ЯМР в примесных магнетиках / Андреева Л. Ю., Бержанский В. Н., Полулях С. Н., Швец М. // Ученые записки ТНУ, Серия "Физика". - 2000. - Т. 13(52), № 2. - С. 100-105.

14. Полулях C. М. Комп'ютерне моделювання сигналiв ЯМР в багатоспiнових системах з магнiтними дипольними взаємодiями / Полулях C. М. // УФЖ. - 2000. - Т. 45, № 7. - С. 848-853.

15. Полулях C. Н. Cпектры многоквантовых сигналов эха от квадрупольных ядер с полуцелым спином в магнитоупорядоченных веществах / Полулях C. Н., Cергеев Н. А., Шемяков А. А. // ФТТ. - 2000. - Т. 42, В. 9. - С. 1628-1632 .

16. Relaxation of spin echo signals of 53Cr nuclei in Ag-doped CdCr2Se4 / Abelyashev G. N., Berzhansky V. N., Polulyakh S. N., Sergeev N. A. // Physica B. - 2000. - V. 292. - P. 323-336.

17. Relaxation of 53Cr spin echo signals in Cd0.985Ag0.015Cr2Se4 / Abelyashev G. N., Berzhansky V. N., Polulyakh S. N., Sergeev N. A. // Acta Physica Polonica A. - 2000. - V. 97, N.5. - P. 753-756.

18. Ядерное спиновое эхо в магнитных жидкостях / Алексашкин И. А., Бержанский В. Н., Першина Е. Д., Полулях С. Н., Турищев М. В. // Письма в ЖТФ. - 2001. - Т. 27, №2. - С. 90-94.

19. Berzhansky V. N. Nuclear Magnetic Resonance in Ferromagnetic CuCr2S4 / Berzhansky V. N., Gorbovanov A. I., Polulyakh S. N. // Mat. Sci. Forum. - 2001. - V. 373 - 376. - P. 701-704.

20. Множественная структура двухимпульсного ядерного спинового эха в пленках кобальта / Бержанский В. Н., Капельницкий С. В., Покатилов В. С., Полулях С. Н. // ФТТ. - 2002. - Т. 44, N.1. - С. 83-86.

21. Бержанский В. Н. Магнитоакустическое эхо в магнитных микропроводах / Бержанский В. Н., Полулях С. Н., Куневич А. В. // Радиотехника и электроника. - 2002. - Т. 47, № 5. - С. 620-623.

22. Ферромагнитный резонанс в суспензиях кобальтзамещенного магнетита / Алексашкин И. В., Бержанский В. Н., Полулях С. Н., Турищев М. В. // ФТТ. - 2004. - Т. 46, В. 8. - С. 1446-1448.

23. Бержанский В. Н. Формирование сигналов двухимпульсного ядерного спинового эхо в пленках феррита граната иттрия / Бержанский В. Н., Полулях С. Н., Тупицын Ю. В. // Ученые Записки ТНУ, серия "Физика". - 2005. - Т. 17 - 18 (56 - 57), № 1. - С. 88-94.

24. Бержанский В. Н. ЯМР ядер 53Cr в ферромагнитном CuCr2S4:Sb / Бержанский В. Н., Горбованов А. И., Полулях С. Н. // ФТТ. - 2005. - Т. 47, В. 3. - С. 487-492.

25. Бержанский В. Н. Импульсный когерентный спектрометр ядерного магнитного резонанса для магнитоупорядоченных веществ / Бержанский В. Н., Полулях С. Н., Тупицын Ю. В. // ПТЭ. - 2005. - № 6. - С. 41-46.

26. Sergeev N. A. Spin-Spin Interactions and Nuclear Magnetic Relaxation in Magnetic Solids / Sergeev N. A., Polulyakh S. N. // Hyperfine Interactions. - 2005. - V. 163, N 1-4. - P. 161-166.

27. Полулях С. Н. Использование случайных чисел при компьютерном моделировании сигналов магнитного резонанса / Полулях С. Н., Сапига А. В. // ЖТФ. - 2006. - Т.76, В. 4. - С. 39-44.

28. Сергеев Н. А. Взаимодействие Сула - Накамуры и спиновая релаксация в магнетиках, содержащих ионы с переменной валентностью / Сергеев Н. А., Полулях С. Н. // Ученые записки ТНУ, серия "Физика". - 2006. - Т. 19 (58), №1 - С. 100-106.

29. Polulyakh S. N. About the influence of nuclear interactions on longitudinal magnetic relaxation of 57Fe nuclei in YIG films / Polulyakh S. N., Sergeev N. A. // Functional Materials. - 2006. - V.13, N.2. - P. 301-304.

30. Влияние ионов сурьмы на магнитные свойства и процессы переноса носителей в медных халькошпинелях хрома / Бержанский В. Н., Власова Т. А., Горбованов А. И., Норден Д. В., Полулях С. Н., Аминов Т. Г., Бушева Е. В., Шабунина Г. Г. // Ученые записки ТНУ, Серия "Физика". - 2007. - Т. 20(59), № 1. - C. 34-49.

31. Спосіб одержання феромагнітної рідини / Першина Е. Д., Полулях С. М., Алексашкін І. В., Турищев М. В. // Деклараційний патент на винахід №2000127467. - Заявлено 25.12.2000. - Опубліковано 16.09.2002. Бюл. №. 9.

32. Polulyakh S. N. Simulation of Influence of Water Molecules Motion on Proton NMR spectra in Natrolite / Polulyakh S. N., Sapiga А. V. // Proc. of the Joint 29th AMPERE - 13th ISMAR International Conference. - Berlin, 1998. - V.2. - P. 650-651.

33. Study of impurity states in magnetic semiconductors by multiquantum spin-echo spectroscopy / Berzhansky V. N., Abelyashev G. N., Polulyakh S. N., Sergeev N. A. // Abstracts of International Symposium “Nuclear Magnetic Resonnace in Condensed Matter”. - Saint Petersburg, Russia, 2004. - P. 43.

34. Relaxation Properties of Spin-Echo Signals from Quadrupole Nuclei in Magnetic Materials / Berzhansky V. N., Gorbovanov A. I., Polulyakh S. N. // Abstracts of International Conference "Functional Materials" ICFM-2007. - Partenit, 2007. - P. 516.

Анотація

Полулях С. М. Ядерна магнітна релаксація та багатоквантова спектроскопія ЯМР магнітних напівпровідників з домішками та інших матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.11 - магнетизм. Інститут магнетизму НАН України і МОН України, Київ, 2008.

В дисертації розглядаються особливості ядерного магнітного резонансу (ЯМР) в речовинах з магнітнім упорядкуванням. Отримано оптимальні умови формування і ЯМР спектри багатоквантових сигналів спінової луни від квадрупольних ядер.

У якості релаксаційного механізму, який призводить до флуктуацій магнітних та квадрупольних взаємодій, запропоновано розглядати термодинамічні флуктуації напрямку вектору електронної намагніченості. Механізм застосовано для ядер іонів, локальна симетрія яких є нижчою за кубічну. Отримано теоретичні співвідношення для магнітної релаксації квадрупольних ядер в магнетиках за умов двохімпульсного та трьохімпульсного збудження спінової луни.

Здійснено аналіз сигналів спінової луни від квадрупольних ядер за наявністю ефектів змінної валентності. Для аналізу сигналів ЯМР в магнітних напівпровідниках з домішками запропоновано модель домішкових кластерів. Кластери складаються із магнітних іонів, по яким мігрує надлишковий носій заряду, що внесено домішкою. Домішкові кластери також запропоновано розглядати у якості центрів швидкої ядерної магнітної релаксації.

Ключові слова: магнітні напівпровідники, халькогенідні шпінелі хрому, залізо-ітрієвий ферит-гранат, надтонкі взаємодії, ЯМР квадрупольних ядер, багатоквантові сигнали спінової луни, ядерна магнітна релаксація.

Аннотация

Полулях С. Н. Ядерная магнитная релаксация и многоквантовая спектроскопия ЯМР примесных магнитных полупроводников и других материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.11 - магнетизм. Институт магнетизма НАН Украины и МОН Украины, Киев, 2008.

В диссертации рассматриваются особенности ядерного магнитного резонанса квадрупольных ядер в магнитоупорядоченных веществах. Проводится теоретический анализ условий формирования и релаксации многоквантовых сигналов ядерного спинового эхо от квадрупольных ядер при двухимпульсном и трехимпульсном возбуждении. Проводится анализ сигналов ЯМР от квадрупольных ядер при наличии эффектов переменной валентности, возникающих, в том числе, вследствие гетеровалентного замещения в магнитных полупроводниках.

Получены теоретические выражения для зависимости амплитуды сигнала эхо от временного интервала между возбуждающими импульсами при флуктуациях как магнитных полей, так и квадрупольных взаимодействий. Для квадрупольных ядер с полуцелым спином показано, что, в отличие от несекулярных флуктуаций, флуктуации секулярной части гамильтониана квадрупольных взаимодействий не вносят вклад в затухание двухимпульсных многоквантовых сигналов эхо на частоте центральной линии спектра ЯМР. Релаксация трехимпульсных сигналов эхо от квадрупольных ядер, даже в случае квадрупольного ядра со спином , не может быть описана одной экспонентой. Наличие нескольких экспонент в выражении для релаксации эхо не связано с магнитной неоднородностью образца, а обусловлено неэквидистантным энергетическим спектром.

В работе проведено компьютерное моделирование спектров ЯМР в условиях флуктуирующих магнитных и неоднородных электрических полей на ядрах. Предложен алгоритм расчета, состоящий в выделении интервалов времени, в течение которых флуктуирующие поля можно полагать неизменными. Предложенный подход апробирован на ЯМР протонов в цеолитах и использован для магнитных материалов с переменной валентностью.

Для магнитных полупроводников на основе селенохромита кадмия анализируются эффекты, возникающие при замещении немагнитных ионов ионами или . Зарядовая компенсация осуществляется за счет магнитных ионов хрома, что и приводит к эффектам переменной валентности. В рамках развиваемой модели примесных кластеров анализируется модификация спектров ЯМР ядер хрома в сочетании с модификацией обменных взаимодействий вследствие легирования. В случае ферромагнитного сульфохромита меди эффекты переменной валентности обусловлены естественным катионным распределением.

Проведен анализ влияния параметров возбуждающих импульсов на особенности формирования двухимпульсных сигналов эхо. Показано, что экспериментально наблюдаемые сигналы двухимпульсного эхо в магнитных микропроводах не являются сигналами ЯМР, а, как предполагается, обусловлены нелинейными магнитоупругими взаимодействиями. Для оптимального формирования многоквантовых сигналов спинового эхо от квадрупольных ядер в магнетиках получено, что длительность первого возбуждающего импульса должна быть примерно вдвое больше длительности второго. Амплитуда переменного магнитного поля при этом должна быть порядка величины квадрупольного расщепления спектра ЯМР.

Показано, что при использовании многоквантовых сигналов эхо от квадрупольных ядер с полуцелым спином для регистрации ЯМР спектров наблюдается подавление квадрупольных сателлитов при увеличении момента формирования эхо. Полное подавление квадрупольных сателлитов имеет место в случае сигналов эхо, формирующихся в момент времени , где - спин ядра, - временной интервал между импульсами. Показано, что при T = 77 K множественные сигналы эхо ядер (спин I = 5/2) в перовските и шпинеле , а также ядер в обусловлены многоквантовыми эффектами. Множественные эхо ядер (спин I = 7/2) в пленках кобальта при T = 4.2 K обусловлены эффектами динамического сдвига частоты.

Проведен анализ скорости затухания сигналов эхо ядер в пленках железо-иттриевого феррит граната и ядер в . Показано, что частотные зависимости скоростей релаксации обусловлены термодинамическими флуктуациями направления вектора электронной намагниченности. Процессы магнитной релаксации ядер меди и хрома в сульфохромите меди при T = 77 K обусловлены флуктуациями локальных магнитных и электрических полей, возникающими вследствие быстрого обмена .

На основе анализе спектральных и релаксационных параметров ЯМР ядер в показано, что примесь кремния формирует примесный кластер, в котором имеет место обмен . Для радиуса примесного кластера получена оценка м. Модель примесных кластеров использована также для анализа сигналов ЯМР ядер в .

Ключевые слова: магнитные полупроводники, халькогенидные шпинели хрома, железо-иттриевый феррит-гранат, сверхтонкие взаимодействия, ЯМР квадрупольных ядер, многоквантовые сигналы спинового эха, ядерная магнитная релаксация.

Annotation

Polulyakh S. N. Nuclear magnetic relaxation and multiquantum NMR spectroscopy of doped magnetic semiconductors and other materials. - Manuscript.

A dissertation for a scientific degree Doctor of Science in Physics and Mathematics on the speciality 01.04.11 - magnetism. Institute of Magnetism, Kyiv, 2008.

The peculiarities of nuclear magnetic resonance (NMR) in magnetic materials are discussed in a dissertation. The optimal excitation conditions and NMR spectra of multiquantum spin-echo signals from quadrupole nuclei are obtained.

The thermodynamic fluctuations of electrons magnetization vector direction are proposed to be considered as a mechanism, which is responsible for fluctuations of both magnetic and quadrupole interactions. This mechanism is applied to the nuclei of ions, the local symmetry of which is non-cubic. The theoretical relationships for magnetic relaxation of quadrupole nuclei are obtained for the two-pulse and three-pulse spin-echo signals in magnetic materials.

The analysis of spin-echo signals from quadrupole nuclei is made for a case, when the effects of the changing valency take place. The model of impure clusters is proposed to analyze MNR signals in doped magnetic semiconductors. The clusters are built from magnetic ions, on which migrates the excess charge carrier, which appears due to impurity. The impure clusters are proposed to be considered as centers of fast nuclear magnetic relaxation.

Key words: magnetic semiconductors, chromium chalcogenide spinels, yttrium-iron garnet, hyperfine interactions, NMR of quadrupole nuclei, multiquantum spin-echo signals, nuclear magnetic relaxation.

Размещено на Allbest.ru