Spektroskopia mikrofalowa
Spektroskopia mikrofalowa jest metodą spektroskopii wykorzystującą mikrofale , tj. promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwościach GHz, do badania materii.
Historia
Cząsteczka amoniaku NH 3 ma kształt piramidy o wysokości 0,38 Å, z trójkątem równobocznym wodorów tworzącym podstawę. Azot znajdujący się na osi ma dwie równoważne pozycje równowagi powyżej i poniżej trójkąta wodorów, co stwarza możliwość tunelowanie azotu w górę iw dół przez płaszczyznę atomów H. W 1932 Dennison i in. ... przeanalizował energię wibracyjną tej cząsteczki i doszedł do wniosku, że energia wibracyjna zostanie podzielona na pary w obecności tych dwóch pozycji równowagi. W następnym roku Wright i Randall zaobserwowali… pęknięcie na 0,67 cm
–1 w liniach dalekiej podczerwieni, co odpowiada ν = 20 GHz, wartości przewidywanej przez teorię. W 1934 roku Cleeton i Williams … skonstruowali spektrometr echelette z siatką, aby bezpośrednio zmierzyć to rozszczepienie, rozpoczynając w ten sposób dziedzinę spektroskopii mikrofalowej. Zaobserwowali nieco asymetryczną linię absorpcji z maksimum przy 24 GHz i pełną szerokością w połowie wysokości 12 GHz.
W fizyce molekularnej
W dziedzinie fizyki molekularnej spektroskopia mikrofalowa jest powszechnie stosowana do badania rotacji cząsteczek.
W fizyce materii skondensowanej
W dziedzinie fizyki materii skondensowanej spektroskopia mikrofalowa jest wykorzystywana do wykrywania dynamicznych zjawisk ładunków lub spinów przy częstotliwościach GHz (odpowiadających nanosekundowym skalom czasowym) i skalom energii w reżimie µeV. Dopasowując się do tych skal energii, spektroskopia mikrofalowa ciał stałych jest często wykonywana jako funkcja temperatury (aż do reżimów kriogenicznych kilku K lub nawet niższych) i / lub pola magnetycznego (z polami do kilku T). Spektroskopia tradycyjnie uwzględnia odpowiedź materiałów zależną od częstotliwości, aw badaniu dielektryków spektroskopia mikrofalowa często obejmuje duży zakres częstotliwości. W przeciwieństwie do próbek przewodzących, jak również do rezonansu magnetycznego, powszechne są eksperymenty ze stałą częstotliwością (przy użyciu bardzo czułego rezonatora mikrofalowego ), ale możliwe są również pomiary zależne od częstotliwości.
Próbkowanie ładunków w fizyce materii skondensowanej
W przypadku materiałów izolacyjnych (zarówno stałych, jak i ciekłych) badanie dynamiki ładunku za pomocą mikrofal jest częścią spektroskopii dielektrycznej . Wśród materiałów przewodzących nadprzewodniki są klasą materiałów, która jest często badana za pomocą spektroskopii mikrofalowej, dostarczając informacji o głębokości penetracji (zarządzanej przez kondensat nadprzewodzący), przerwie energetycznej (wzbudzenie pojedynczej cząstki par Coopera ) i dynamice kwazicząstek.
Inną klasą materiałów, którą badano za pomocą spektroskopii mikrofalowej w niskich temperaturach, są ciężkie metale fermionowe z szybkościami relaksacji Drude'a przy częstotliwościach GHz.
Sondowanie spinów w fizyce materii skondensowanej
Mikrofale uderzające w materię zwykle oddziałują z ładunkami, jak również ze spinami (odpowiednio za pośrednictwem składowych pola elektrycznego i magnetycznego), przy czym reakcja na ładunek jest zwykle znacznie silniejsza niż reakcja na spin. Jednak w przypadku rezonansu magnetycznego spiny można badać bezpośrednio za pomocą mikrofal. W przypadku materiałów paramagnetycznych technika ta nazywana jest elektronowym rezonansem spinowym (ESR) , aw przypadku materiałów ferromagnetycznych rezonansem ferromagnetycznym (FMR) . W przypadku paramagnetyków taki eksperyment bada rozszczepienie Zeemana , z liniową zależnością między statycznym zewnętrznym polem magnetycznym a częstotliwością sondującego pola mikrofalowego. Popularna kombinacja, stosowana w komercyjnych w paśmie X , wynosi około 0,3 T (pole statyczne) i 10 GHz (częstotliwość mikrofal) dla typowego materiału o współczynniku g elektronów bliskim 2.