Файл: Страховский Г.М. Основы квантовой электроники учеб. пособие.pdf

Возможные применения ЭПР и ЯМР для решения практических задач

ЭПР ЯМР

Один из наиболее простых методов измерения времени спин-реше­ точной релаксации 7\ заключается в следующем. Сначала резонансная кривая поглощения образца снимается при малой амплитуде Нг вы­ сокочастотного поля. Затем амплитуда высокочастотного поля уве­ личивается до тех пор, пока величина резонансного поглощения не упадет почти до нуля. Причиной уменьшения поглощения служит эффект насыщения (см. § 3.6). После этого амплитуда высокочастотного поля уменьшается до первоначального малого значения Н1, и регист­ рируется увеличение со временем высоты резонансной кривой. Этот рост связан с возвращением образца в равновесное состояние, соответ­ ствующее малой амплитуде высокочастотного поля; происходит он по экспоненциальному закону с постоянной времени Тг. Отсюда непосред­ ственно можно определить Тг.

Этот метод (метод насыщения) пригоден для измерения сравни­ тельно больших времен спин-решеточной релаксации.

Время спин-спиновой релаксации Т2 можно определить прежде всего из непосредственного измерения полуширины резонансной кри­ вой поглощения. Как показано в § 3.6, ширина Асо резонансной кривой поглощения при малой амплитуде высокочастотного поля (малое на-

Заметим, что так как параметры кривой дисперсии также определя­ ются временем Т 2 , то величину Т2 можно определить из измерений этой кривой.

Приведем пример использования ЯМР для структурного анализа. Известно, что в молекуле пентаборана В^Нд атомы бора распола­ гаются в вершинах тетрагональной пирамиды и каждый из них не­ посредственно связан с одним атомом водорода. Четыре оставшихся «мостиковых» атома водорода расположены симметрично относительно основания пирамиды. Таким образом, четыре атома бора, лежащие в основании пирамиды, занимают эквивалентные положения, а атом В 1 1 ,

расположенный в вершине, в этом смысле от них отличается.

113

Г Л А В А 4

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР

В гл. 1 было показано, что среда может усиливать проходящее че­ рез нее электромагнитное излучение, если ей можно приписать абсо­ лютную отрицательную температуру. Проблема создания таких сред является одной из центральных проблем квантовой электроники.

Существует довольно много способов создания сред с отрицатель­ ной температурой, реализованных практически, и еще большее число предложений; ниже мы остановимся лишь на наиболее важных из них. В данной главе основное внимание уделено методу создания отрица­ тельных температур при помощи вспомогательного излучения в систе­ ме трех и четырех уровней, так как этот метод применим почти ко всем системам, используемым в квантовой электронике. Остальные методы просто коротко перечисляются для того, чтобы можно было представить себе общую картину существующих методов, а их подробный разбор дается в других главах книги.

§ 4.1. Получение отрицательных температур для системы трех и четырех уровней методом вспомогательного излучения

в радиодиапазоне

Метод вспомогательного излучения в системе трех и четырех уров­ ней наиболее широко распространен в квантовой электронике. Это основной метод возбуждения парамагнитных квантовых усилителей, а также квантовых усилителей и генераторов оптического диапазона на твердом теле. Этот метод применяется также для оптического воз­ буждения полупроводниковых квантовых генераторов, и даже есть попытки использовать его в газовых лазерах. Однако последнее вряд ли перспективно. Дело в том, что в газах в отличие от кристаллов ли­ нии поглощения узкие и трудно подобрать условия, при которых ис-

115

точник накачки попадал бы в линию поглощения газа. Кроме того, существуют очень жесткие требования к временам релаксации энерге­ тических уровней. Немаловажно и то, что линии поглощения многих

очень низких температур и достаточно высоких частот это выражение близко к единице. Действительно, зададимся для оценки достаточно низкой температурой (Т = 4,2Ч К) и посмотрим, для каких частот

116

hh

т.е. для очень высокой частоты.

Теперь, воспользовавшись упрощенным, но достаточно наглядным анализом, посмотрим, при каких условиях возникает отрицательная температура между уровнями 3—2 или 2—1.

Пусть в трехуровневой системе действует сигнал вспомогательного излучения с частотой, в точности равной расстоянию по частоте между уровнями 1 и 3. Для упрощения анализа будем считать, во-первых, что при достаточной амплитуде сигнала происходит уравнивание на­ селенностей на уровнях 1 и 3 и, во-вторых, что населенность уровня 2 при этом не меняется. Если Nx, JV 2 и N3 — населенности уровней при наличии сигнала вспомогательного излучения, то наши допущения означают, что

могательного излучения должна быть больше, чем населенность уров­

117