الرنين المغناطيسي الحديدي

الرنين المغناطيسي الحديدي ، أو FMR ، هو اقتران بين موجة كهرومغناطيسية ومغنطة الوسط الذي تمر عبره. يُحدث هذا الاقتران فقدًا كبيرًا في طاقة الموجة، حيث تمتص المغنطة المترنحة (ترنح لارمور) هذه الطاقة وتُفقد على شكل حرارة. ولكي يحدث هذا الاقتران، يجب أن يتساوى تردد الموجة الساقطة مع تردد ترنح المغنطة (تردد لارمور)، وأن يتطابق استقطاب الموجة مع اتجاه المغنطة.

يمكن استخدام هذا التأثير في تطبيقات متنوعة مثل تقنيات التحليل الطيفي أو تصميم أجهزة الميكروويف .

تُستخدم تقنية مطيافية الرنين المغناطيسي الحديدي (FMR) لدراسة مغنطة المواد المغناطيسية الحديدية . وهي أداة قياسية لدراسة الموجات المغزلية وديناميكيات المغزل. يشبه الرنين المغناطيسي الحديدي إلى حد كبير الرنين المغناطيسي الإلكتروني (EPR)، ويشبه أيضًا الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، باستثناء أن الرنين المغناطيسي الحديدي يقيس مغنطة العينة الناتجة عن العزوم المغناطيسية للإلكترونات غير المزدوجة المقترنة ثنائيًا ، بينما يقيس الرنين المغناطيسي النووي العزم المغناطيسي لنوى الذرات المحجوبة بواسطة المدارات الذرية أو الجزيئية المحيطة بهذه النوى ذات المغزل النووي غير الصفري.

يُعد رنين FMR أيضًا أساسًا للعديد من الأجهزة الإلكترونية عالية التردد، مثل عوازل الرنين أو أجهزة التدوير .

تم اكتشاف الرنين المغناطيسي الحديدي تجريبياً بواسطة في كي أركادييف عندما لاحظ امتصاص إشعاع UHF بواسطة المواد المغناطيسية الحديدية في عام 1911. وقدّم يا جي دورفمان في عام 1923 تفسيراً نوعياً للرنين المغناطيسي الحديدي إلى جانب شرح لنتائج أركادييف، عندما اقترح أن الانتقالات البصرية الناتجة عن انقسام زيمان يمكن أن توفر طريقة لدراسة البنية المغناطيسية الحديدية.

تنبأت ورقة بحثية نُشرت عام 1935 من قبل ليف لانداو وإيفجيني ليفشيتز بوجود رنين مغناطيسي حديدي لترنح لارمور ، والذي تم التحقق منه بشكل مستقل في تجارب أجراها جيه إتش إي جريفيثس (المملكة المتحدة) وإي كيه زافويسكي (الاتحاد السوفيتي) في عام 1946. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

ينشأ الرنين المغناطيسي الإلكتروني من الحركة التبادرية للمغنطة (التي عادة ما تكون كبيرة جدًا).${\displaystyle \scriptstyle {\vec {M}}}$لمادة مغناطيسية حديدية في مجال مغناطيسي خارجي${\displaystyle \scriptstyle {\vec {H}}}$يُؤثر المجال المغناطيسي بعزم دوران على مغنطة العينة، مما يُسبب دوران العزوم المغناطيسية فيها . يعتمد تردد دوران المغنطة على اتجاه المادة، وشدة المجال المغناطيسي، بالإضافة إلى المغنطة الكلية للعينة ؛ ويكون تردد الدوران الفعال للمغناطيس الحديدي أقل بكثير من تردد الدوران المُلاحظ للإلكترونات الحرة في رنين الإلكترون المغناطيسي (EPR). علاوة على ذلك، يمكن أن تتأثر عروض خطوط قمم الامتصاص بشكل كبير بتأثيرات التضييق ثنائي القطب والتوسيع التبادلي (الكمي). كما أن قمم الامتصاص المُلاحظة في رنين المغناطيسية الحديدية (FMR) لا تنتج جميعها عن دوران العزوم المغناطيسية للإلكترونات في المغناطيس الحديدي. لذا، فإن التحليل النظري لأطياف رنين المغناطيسية الحديدية أكثر تعقيدًا بكثير من التحليل النظري لأطياف رنين الإلكترون المغناطيسي (EPR) أو رنين المغناطيسي النووي (NMR).

يتكون الإعداد الأساسي لتجربة الرنين المغناطيسي الإلكتروني (FMR) من تجويف رنين للموجات الميكروية مزود بمغناطيس كهربائي . يُثبّت تردد تجويف الرنين ضمن نطاق الترددات العالية جدًا . يُوضع كاشف في نهاية التجويف لرصد الموجات الميكروية. توضع العينة المغناطيسية بين قطبي المغناطيس الكهربائي، ويُجرى مسح للمجال المغناطيسي مع رصد شدة امتصاص الموجات الميكروية الرنانة. عندما يتساوى تردد ترنح المغنطة مع تردد تجويف الرنين، يزداد الامتصاص بشكل حاد، وهو ما يُشير إليه انخفاض شدة الإشارة عند الكاشف.

علاوة على ذلك، يتسبب امتصاص طاقة الموجات الميكروية بالرنين في تسخين موضعي للمادة المغناطيسية الحديدية. وفي العينات ذات المعاملات المغناطيسية الموضعية المتغيرة على مستوى النانومتر، يُستغل هذا التأثير في دراسات التحليل الطيفي المعتمد على الموقع.

التردد الرنيني لغشاء ذي مجال خارجي مطبق موازٍ${\displaystyle B}$يتم إعطاؤها بواسطة صيغة كيتل : ^{[ 4 ]}

${\displaystyle f={\frac {\gamma }{2\pi }}{\sqrt {B(B+\mu _{0}M)}}}$

أين${\displaystyle M}$هي مغنطة المادة المغناطيسية الحديدية و${\displaystyle \gamma }$هي النسبة المغناطيسية الدورانية . ^{[ 5 ]}

• الرنين المغناطيسي الإلكتروني
• الرنين المغناطيسي النووي

• فونزوفسكي، إس. في. (2013). الرنين المغناطيسي الحديدي: ظاهرة الامتصاص الرنيني للمجال المغناطيسي عالي التردد في المواد المغناطيسية الحديدية . إلسيفير. ISBN 9781483151489.
• تشيكازومي، سوشين (1997). فيزياء المغناطيسية الحديدية . مطبعة كلارندون . ISBN 978-0-19-851776-4.

• حساب بعض مجالات الرنين المهمة
• تقنية الرنين المغناطيسي الحديدي ذات الدقة المكانية
• الرنين المغناطيسي الحديدي (FMR) (ولفغانغ كوتش، جامعة برلين الحرة)