音響常磁性共鳴

音響学において、音響常磁性共鳴（APR ）は、外部磁場内に置かれた磁性粒子のシステムによる音の共鳴吸収現象である。これは、音波量子のエネルギーが粒子のエネルギーレベルの分裂に等しくなり、分裂が磁場によって誘発されたときに発生する。APRは電子常磁性共鳴（EPR）のバリエーションであり、研究対象のサンプルによって電磁波ではなく音響波が吸収される。APRは1952年にSemen AltshulerとAlfred Kastlerによって独立して理論的に予測され、^{[1] [2]} WG ProctorとWH Tanttilaによって1955年に実験的に観察された。^{[3] [4]}

1944 年に EPR が発見された後、エフゲニー・ザヴォイスキーは共鳴現象が電波やマイクロ波の吸収に限定されず、音波にまで拡張できると予測した。この考えは 1952 年に共同研究者のセメン・アルトシュラーによって理論的に展開され、その後アルフレッド・カスラーによって独立して発展した。アルトシュラーが電子スピンへの影響を報告したのに対し、カスラーは核スピン システムを計算した。APR の最初の実験的検出は 1955 年に塩素酸ナトリウムの単結晶中の³⁵ Cl 核を使用して報告された。この核 APR の研究は 1959 年に電子 APR にまで拡張された。^[5]その後、カスラーとチャールズ・タウンズによって核偏極と音響メーザーへの APR のさらなる応用が提案された。^[4]

APR 効果は EPR と非常によく似ています。自由電子または固体中のすべての電子または原子核は、磁気モーメントとそれに関連するスピンを持っています。スピンは整数または半整数値 (1/2、1、3/2 など) を取り、対応する磁気成分は m _s = ±1/2、±1、±3/2 などです。ここで、プラスとマイナスのスピン値のレベルは縮退しており、エネルギーが等しくなります。外部磁場を適用すると、それらのスピンは磁場に沿って、または磁場と反対に整列します。エネルギー図では、エネルギー レベルは図に示すように分割されます。特定の量子エネルギー E を持つ音波がこのスピン システムを照射すると、特定の磁場値で、E が磁気分割 ΔE に等しい場合、音の共鳴吸収が起こり、これが APR 効果です。^[4]

EPRとAPRの両方において、吸収されたエネルギーはスピン-フォノン緩和を介して格子に伝達されます。しかし、EPRではこのプロセスは2次であり、2つのフォノンが関与しますが、APRでは緩和に1つのフォノンしか関与しないため、はるかに高速です。これは共鳴の線形とその温度依存性に影響を与え、EPRとAPRでスピン-格子緩和を異なる方法で調べることを可能にします。^[4]

APR は、一般的に 100 MHz ～ 100 GHz の高音周波数でパルスエコー法を使用して測定されます。調査対象の結晶の 2 つの反対側は鏡面研磨され、互いに平行になっています。一方には圧電結晶が取り付けられています。この結晶は超音波を生成し、この超音波は平らな面の間で複数回反射した後に検出され、信号の減衰が共鳴吸収の尺度となります。結晶は、印加周波数に対応する静磁場を提供できる磁石内にあります。スピンが 1/2 でエネルギー レベルの分割係数 (いわゆる分光分割係数 g) が g = 2 である電子の場合、必要な磁場は 100 MHz ～ 100 GHz の周波数で 33 ～ 33000 ガウスです。^[6]