Τι και πως να μετρήσεις - Δυναμικές μετρήσεις

Η μαγνητική επιδεκτικότητα είναι το σημαντικό μέγεθος στην AC μαγνητομετρία.  Η μέτρηση της AC μαγνητικής επιδεκτικότητας δίνει δύο ποσότητες: το μέγεθος της μαγνητικής επιδεκτικότητας, χ , και τη μετατόπιση φάσης, φ (σε σχέση με το σήμα οδήγησης).  Εναλλακτικά, μπορεί κανείς να θεωρήσει ότι η μαγνητική επιδεκτικότητα έχει μια πραγματική ή σε φάση συνιστώσα, χ' και μια εκτός φάσης, ή φανταστική συνιστώσα χ". Οι δύο συνιστώσες σχετίζονται με τις παρακάτω σχέσεις:

Στο όριο των χαμηλών συχνοτήτων, όπου η AC μέτρηση προσεγγίζει τη DC μέτρηση, το πραγματικό μέρος χ' της επιδεκτικότητας είναι μόνο η κλίση της καμπύλης M(H) που αναλύεται παραπάνω. Το φανταστικό μέρος, χ" αφορά μηχανισμούς διάχυσης στο δείγμα.

Στο εύρος υψηλότερων συχνοτήτων, η μαγνήτιση του δείγματος μπορεί να υστερεί σε σχέση με το πεδίο-οδηγό, φαινόμενο που ανιχνεύεται από τις διατάξεις μαγνητομετρίας.

Η AC μαγνητική επιδεκτικότητα αποτελεί τυπικό εργαλείο για τον προσδιορισμό της φυσικής των υπεραγωγών, ιδίως για τη μέτρηση της κρίσιμης θερμοκρασίας. Στην κανονική κατάσταση (πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία), οι υπεραγωγοί έχουν συνήθως μικρή μαγνητική επιδεκτικότητα. Στην πλήρως υπεραγώγιμη κατάσταση, το δείγμα είναι ένα τέλειος διαμαγνήτης και συνεπώς, χ’=-1. Συνήθως, η εμφάνιση μη μηδενικής μαγνητικής επιδεκτικότητας χ' εμφανίζεται στην υπεραγώγιμη θερμοκρασία μετάβασης. Το σχήμα δείχνει ένα παράδειγμα AC μαγνητικής επιδεκτικότητας του υπεραγωγού υψηλών θερμοκρασιών, LaBaCa (_Cu1-xZnx)_{O7- δ}.

Πηγή κειμένου: https://qdusa.com/siteDocs/appNotes/1078-201.pdf

Για να αντιληφθούμε τι μετράται στην AC μαγνητομετρία, θεωρούμε αρχικά πολύ χαμηλές συχνότητες, όπου η μέτρηση μοιάζει σε μεγάλο βαθμό με τη DC μαγνητομετρία. Στην περίπτωση αυτή, η μαγνητική ροπή του δείγματος ακολουθεί την καμπύλη M(H) που θα μετρηθεί σε πείραμα DC.

Καθώς αλλάζει το DC μαγνητικό πεδίο, διαγράφονται διαφορετικά μέρη της καμπύλης M(H), δίνοντας διαφορετική μαγνητική επιδεκτικότητα.

Ένα πλεονέκτημα της AC μέτρησης εναλλασσόμενου είναι προφανές: η μέτρηση είναι πολύ ευαίσθητη σε μεταβολές M(H).  Δεδομένου ότι η AC μέτρηση επηρεάζεται σημαντικά από την κλίση της M(H) και όχι από την απόλυτη τιμή της, μικρές μαγνητικές μεταβολές μπορούν να ανιχνευθούν ακόμη και όταν η απόλυτη μαγνητική ροπή παίρνει μεγάλες τιμές.

Σε υψηλότερες συχνότητες, η AC μαγνητική ροπή του δείγματος δεν ακολουθεί την DC καμπύλη μαγνήτισης λόγω δυναμικών φαινομένων στο δείγμα.

Πηγή κειμένου: https://qdusa.com/siteDocs/appNotes/1078-201.pdf

Ο σιδηρομαγνητισμός χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίσει τη μαγνητική συμπεριφορά ενός υλικού, όπως η ισχυρή έλξη από έναν μόνιμο μαγνήτη. Η προέλευση αυτού του ισχυρού μαγνητισμού είναι η παρουσία αυθόρμητης μαγνήτισης που παράγεται από παράλληλη ευθυγράμμιση των μαγνητικών ροπών. Ο συντονισμός εμφανίζεται όταν τα επίπεδα ενέργειας ενός κβαντικού συστήματος ηλεκτρονικών ή πυρηνικών μαγνητικών ροπών εμφανίζουν φαινόμενα λεπτής (ή υπέρλεπτης υφής) εξαιτίας ενός ομογενούς μαγνητικού πεδίου και το σύστημα απορροφά ενέργεια από ένα ταλαντούμενο μαγνητικό πεδίο σε συγκεκριμένες συχνότητες που αντιστοιχούν στις μεταπτώσεις μεταξύ των επιπέδων. Κλασικά, το συμβάν συντονισμού συμβαίνει όταν εφαρμόζεται ένα AC εγκάρσιο πεδίο στη συχνότητα Larmor.

O μαγνητικός συντονισμός (MR: Magnetic Resonance) εμφανίζεται με διαφορετικούς τύπους ανάλογα με τον φορέα που συντονίζεται: FMR: FerroMagnetic Resonance, Σιδηρομαγνητισμός Συντονισμός, για μαγνητικές ροπές που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, EPR: Electron Paramagnetic Resonance, Ηλεκτρονικός Παραμαγνητικός Συντονισμός για απομονωμένες μαγνητικές ροπές NMR: Nuclear Magnetic Resonance, Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός, για πυρηνικές μαγνητικές ροπές. Τα φαινόμενα συντονισμού σχετίζονται με τα κύματα σπιν και τα τοιχώματα περιοχών. Οι μεθοδολογίες συντονισμού είναι σημαντικές για τη διερεύνηση της δομής και των μαγνητικών ιδιοτήτων των στερεών και άλλων υλικών. Αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούνται για απεικονιστικές και άλλες εφαρμογές.

Ο μαγνητικός συντονισμός (MR: Magnetic Resonance) είναι ένας ερευνητικός κλάδος που εξετάζει τις μαγνητικές ιδιότητες των υλικών. Οι μαγνητικές ιδιότητες του ατόμου προέρχονται από ηλεκτρόνια και πυρήνες. Έτσι, μελετάται σε δύο ομάδες, όπως ο ο Ηλεκτρονικός Παραμαγνητικός Συντονισμός (EPR)/ο Ηλεκτρονικός Συντονισμός των σπιν (ESR: Electron Spin Resonance) και ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (NMR: Nuclear Magnetic Resonance). Στον ESR και στον NMR το δείγμα τοποθετείται σε ένα ισχυρό στατικό μαγνητικό πεδίο και υποβάλλεται σε ένα τετραγωνικό παλμό. Ενώ στον EPR χρησιμοποιείται ακτινοβολία συχνότητας μικροκυμάτων γενικά, ο NMR παρατηρείται σε χαμηλές ραδιοσυχνότητες. Η απορρόφηση ενέργειας συμβαίνει όταν η ραδιοσυχνότητα είναι ίση με τη διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο ηλεκτρονικών ενεργειακών επιπέδων. Η μετάβαση πρέπει να υπακούει στους κανόνες επιλογής. Ο διαχωρισμός μεταξύ των επιπέδων ενέργειας συμβαίνει όταν η συνολική στροφορμή του ηλεκτρονίου είναι διαφορετική από το μηδέν. Ο διαχωρισμός των επιπέδων ενέργειας δεν έχει παρατηρηθεί στο πλήρες τροχιακό. Η μεταπτωτική κίνηση ενός παραμαγνητικού δείγματος στο μαγνητικό πεδίο φαίνεται σχηματικά στην αριστερή εικόνα. Η κίνηση αυτή συνεχίζεται επ 'αόριστον όταν δεν υπάρχει δύναμη απόσβεσης που μπορεί να εισαχθεί με διαφορετικούς τρόπους.

Πηγή εικόνας	Πηγή εικόνας
Σχηματική αναπαράσταση της μετάπτωσης μιας μαγνητικής ροπής σε εξωτερικό πεδίο που στον άξονα-z.	(a) πειραματική μέτρηση EPR για το La0.7Ca0.3MnO3 σε θερμοκρασία δωματίου (b)) Θεωρητικό φάσμα FMR sε παράλληλη (θ=90ο, ~ 2000 G) και εγκάρσια (θ=0ο,~7000 G) γεωμετρία (c) Το θεωρητικό (κόκκινη διακεκομμένη γραμμή) και το πειραματικό φάσμα (μαύρη συνεχής γραμμή) FMR για νανοσύρματα Ni. (d) Το θεωρητικό φάσμα SPR (SuperParaMagnetic Resonance) για υπερπαραμαγνητικό υλικό σε θερμοκρασία δωματίου.

Πηγή κειμένου: Yalçın, Orhan. Ferromagnetic Resonance. InTech, 2013.  DOI: 10.5772/56134