Введение к работе
Актуальность темы. Широкое практическое применение магнетиков в различных областях науки и техники стимулирует интенсивные исследования физики магнитоупорядоченных кристаллов. Одним из мощных методов изучения магнитных характеристик вещества является метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). ЯМР в магнетиках обладает рядом характерных особенностей [1,2], которые обусловлены связью ядерных спинов с другими подсистемами кристалла. Сюда, прежде всего, относятся эффекты усиления РЧ-поля и сигнала ЯМР, а. также динамический сдвиг частоты (ДСЧ) ядерной спиновой прецессии Они являются следствием косвенного взаимодействия ядерных спинов с РЧ-полем, с приемником резонансного сигнала и между собой через посредство упорядоченной спиновой системы электронов.
Несмотря на большое число работ, посвященных изучению связанных колебаний электронно-ядерной спиновой системы, прогресс в этой области тормозится из-за ряда нерешенных проблем. И в стационарном, и в импульсном ЯМР многие из них связаны с сильной нелинейностью, обусловленной большим ДСЧ.
Таким образом, представляется актуальным более детальное
исследование нелинейных особенностей ЯМР в магнетиках. Оно не
только расширяет представления о нелинейной динамике ядерных
спиновых систем, но и дает новые возможности прикладного
использования последних в качестве зонда при изучении магнитных
свойств электронной спиновой системы, магнитоупругих
взаимодействий и т.д. Кроме того, относительная простота теоретического описания однородного ЯМР с ДСЧ, изощренность экспериментальных методов импульсного ЯМР привлекают к нему внимание с точки зрения общих проблем нелинейной динамики распределенных спиновых систем, и, в частности, проблемы спиновой турбулентности в твердом теле. Наибольший интерес в этой связи представляют результаты теоретических исследований хаотической динамики ядерных спиновых систем магнетиков при многоимпульсном насыщении ЯМР, как в бездиссипативном пределе [3,4,5], так и с учетом релаксации [6].
Цель диссертационной работы заключается в изучении нелинейной динамики ядерных спиновых систем с ДСЧ и связанных с
ней особенностей однородного ЯМР при многоимпульсном и стационарном РЧ-насыщении.
Научная новизна работы обусловлена следующими основными Факторами. Прежде всего, в работе впервые рассмотрен существенно диссипативный режим многоимпульсного возбуждения ядерной спиновой /системы с ДСЧ. При этом исследуется область сильной нелинейности, в которой нельзя пренебречь изменениями ДСЧ во время действия импульса.
Во-вторых, в приближении сильной диссипации впервые сформулирована математическая модель, описывающая пространственно-временное поведение ядерной спиновой системы с учетом трансляционной спиновой диффузии и макронеоднородного уширения. Показано, что в континуальном пределе модель сводится к реакционно-диффузионному уравнению, а дискретная версия модели эквивалентна активно исследуемым в нелинейной динамике моделям диффузионно связанных одномерных отображений [7,8].
В-третьих, в работе получен ряд качественно новых результатов. К ним следует, прежде всего, отнести обнаружение локального диссипативного хаоса, а также широкого спектра пространственно-временных динамических режимов поведения ядерной спиновой системы и, в том числе, ядерной спиновой турбулентности.
В части работы, посвященной стационарному ЯМР, впервые исследован вопрос о том, к каким изменениям фазовой диаграммы состояний может привести неравновесность спин-спинового резервуара или наличие тесного термодинамического контакта зеемановской подсистемы с резервуаром резонансных магнонов в условиях узкого магнонного горла.
Практическая значимость. Решение поставленных задач по изучению многоимпульсного ЯМР позволяет сделать вывод о возможности наблюдения гистерезисных и автомодуляционных эффектов при многоимпульсном насыщении ядерных спиновых систем с большим ДСЧ -явлений необычных для парамагнитного резонанса. Проведенные на основе предложенной модели оценки и численный эксперимент, в котором параметры модели соответствовали кристаллу CsMnF , показали, что эти эффекты могут наблюдаться в условиях, обычных для импульсного ЯМР. Отсюда, в частности, следует, что для правильной интерпретации экспериментов, в. которых используются
многоимпульсные методики с накоплением результата, необходимо .предварительное исследование динамической устойчивости режимов возбуждения, если длительность пауз между импульсами сравнима или даже, больше времени спин-решеточной релаксации.
С точки зрения эксперимента важно отметить, что полученные здесь результаты устанавливают связь внутренних динамических характеристик системы с наблюдаемым фурье-спектром ЯМР и переходными эффектами. Это делает возможным не только лучшее понимание роли нелинейности, но и постановку на его основе экспериментов, которые наиболее удобны и для изучения самих нелинейных явлений, и для их корректного отделения от релаксационных эффектов при изучении переходных явлений. В частности, можно предложить специальные эксперименты по исследованию влияния описанных нелинейных эффектов на сигналы эха и свободной спиновой прецессии. Кроме того, из представленных результатов следует ряд выводов, касающихся методики наблюдения, которые позволяют по новому подойти к анализу экспериментальных данных по импульсному ЯМР.
Наконец, обнаруженные закономерности в поведении ядерной спиновой системы при многоимпульсном возбуждении имеют общефизический интерес. Это обусловлено тем, что рассмотренный здесь режим насыдения ЯМР представляет собой лишь один из примеров физической ситуации, описываемой универсальной динамической моделью диффузионно-связанных одномерных отображений [7,8], которая находит применение при анализе пространственно-временной динамики и других физических систем.
Полученные в последней главе выводы о значительных изменениях условий существования спиновой бистабильности, обусловленных эффектами магнонного узкого горла и неравновесностью спин-спинового резервуара при стационарном насыщении ЯМР, представляют интерес с точки зрения поиска этих эффектов в магнетиках с большим ДСЧ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на итоговых конференциях Казанского физико-технического института, на Всесоюзной конференции по магнитному резонансу в конденсированных средах (Казань, 1984), на XIX Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Ташкент, 1991).
По результатам исследований опубликовано четыре статьи, которые указаны в конце автореферата.
