マイクロ波分光法

マイクロ波分光法は、マイクロ波、つまりGHz周波数の電磁放射を物質の研究に 利用する分光法です。

アンモニア分子 NH ₃は高さ 0.38 Å のピラミッド型で、水素の正三角形が底辺を形成しています。軸上にある窒素は、水素三角形の上下に 2 つの等価な平衡位置を持ち、これにより窒素が H 原子の平面を上下にトンネルする可能性が生じます。1932 年に、デニソンらは、この分子の振動エネルギーを分析し、振動エネルギーはこれら 2 つの平衡位置の存在によってペアに分割されると結論付けました。翌年、ライトとランドールは、理論で予測された値である 20 GHz の周波数に対応する0.67 cm ^–1の遠赤外線線の分割を観測しました。1934 年に、クリートンとウィリアムズは、この分割を直接測定するために格子エシェル分光計を構築し、マイクロ波分光法の分野を開始しました。彼らは、24GHzで最大値を持ち、半値幅が12GHzであるやや非対称な吸収線を観測した。^[1]

分子物理学の分野では、マイクロ波分光法は分子の回転を調べるためによく使用されます。^[2]

凝縮系物理学の分野では、マイクロ波分光法は、GHz周波数（ナノ秒の時間スケールに対応）およびμeV領域のエネルギースケールで電荷またはスピンの動的現象を検出するために使用されます。これらのエネルギースケールに合わせて、固体のマイクロ波分光法は、温度（数Kまたはそれ以下の極低温領域まで） ^[3]および/または磁場（最大数Tの磁場）の関数として実行されることがよくあります。 分光法では伝統的に、材料の周波数依存応答を考慮しており、誘電体の研究では、マイクロ波分光法は多くの場合、広い周波数範囲をカバーします。対照的に、導電性サンプルや磁気共鳴の場合、固定周波数での実験が一般的です（高感度マイクロ波共振器を使用）^[4]が、周波数依存の測定も可能です。^[5]

絶縁体（固体と液体の両方）の場合、^{[6]マイクロ波による電荷ダイナミクスの調査は}誘電分光法の一部です。導電性材料の中でも、超伝導体はマイクロ波分光法でよく研究される材料クラスであり、浸透深さ（超伝導凝縮によって制御される）、^{[4] [7]} エネルギーギャップ（クーパー対の単一粒子励起）、および準粒子ダイナミクスに関する情報を提供します。^[8]

低温でのマイクロ波分光法を用いて研究されてきたもう一つの物質クラスは、GHz周波数でドルーデ緩和率を持つ重いフェルミオン金属である。 ^[5]

物質に衝突するマイクロ波は通常、電荷およびスピンと相互作用し（それぞれ電場成分と磁場成分を介して）、電荷応答は通常スピン応答よりもはるかに強くなります。しかし、磁気共鳴の場合は、マイクロ波を使用してスピンを直接調べることができます。常磁性材料の場合、この技術は電子スピン共鳴（ESR）と呼ばれ、強磁性材料の場合は強磁性共鳴（FMR）と呼ばれます。^[9] 常磁性の場合、このような実験はゼーマン分裂を調べ、静的外部磁場とプローブマイクロ波場の周波数の間に線形関係があります。市販のXバンドESR分光計で実装されている一般的な組み合わせは、電子g因子が2に近い一般的な材料の場合、約0.3 T（静磁場）と10 GHz（マイクロ波周波数）です。