Содержание к диссертации
Введение
1 Когерентные явления в мессбауэровской спектроскопии 12
1.1 Мессбауэровские исследования когерентных внешних воздействий 13
1.2 Квантовая интерференция радиационных переходов и ее результаты 17
2 Мессбауэровские спектры поглощения магнетиков типа «легкая плоскость» в режиме радиочастотного перемагничивания 21
2.1 Введение 21
2.2 Описание модели поведения намагниченности 24
2.3 Вычисление сечения поглощения системы с периодически меняющимся сверхтонким взаимодействием 30
2.4 Методика расчета мессбауэровских спектров: детерминированная модель 35
2.5 Методика расчета мессбауэровских спектров: учет влияния релаксации 39
2.6 Учет роли магнитострикционных звуковых колебаний в образце РеВОз возникающих в режиме перемагничивания 44
2.7 Основные закономерности влияния радиочастотного магнитного поля на мсссбауэровский спектр 47
2.8 Экспериментальные исследовании мессбауэровских спектров бората железа (РеВОз) в процессе радиочастотного перемагничивания 55
2.9 Выводы 60
3 Квантовая интерференция в четырехуровневой электронно-ядерной системе 61
3.1 Введение 61
3.2 Интерференция электронно-ядерной системе: рассмотрение в рамках теории естественной ширины линии . 64
3.3 Метод расчета спектров с использованием матрицы плотности 73
3.4 Обсуждение результатов 81
3.5 Выводы 83
4 Квантовая интерференция в спектрах рассеяния мессбауэровского излучения 85
4.1 Введение 85
4.2 Эффекты интерференции в спектрах рассеяния в условиях антипересечения уровней 87
4.3 Явление «динамического» антипересечения и его свойства . 94
4.4 Выводы 104
Основные результаты, выносимые на защиту 105
Литература 107
- Квантовая интерференция радиационных переходов и ее результаты
- Вычисление сечения поглощения системы с периодически меняющимся сверхтонким взаимодействием
- Интерференция электронно-ядерной системе: рассмотрение в рамках теории естественной ширины линии
- Эффекты интерференции в спектрах рассеяния в условиях антипересечения уровней
Введение к работе
Эффект Мессбауэра, сразу после своего открытия, стал основой эффективного метода исследования вещества в конденсированном состоянии — гамма-резонансной (мессбауэровской) спектроскопии. Этот метод с успехом используется для исследования кристаллохимического строения и магнитной микроструктуры вещества в физическом материаловедении, химии и биологии. Мессбауэровская спектроскопия находится в стадии постоянного совершенствования методики эксперимента (схем наблюдения), способов обработки результатов измерений. Этот процесс особенно заметен в областях связанных с исследованиями сложных неоднородных систем: сплавов и замороженных растворов, аморфного и нано- магнетизма, суперпарамагнетизма, физики поверхности. Специфическую модификацию мессбауэровской спектроскопии составляют эксперименты проводимые в условиях когерентного воздействия на исследуемую систему ультразвуковыми, радиочастотными (р.ч.), лазерными полями. В каждой из перечисленных выпте областей достижение успеха стало возможным благодаря разработке теоретических моделей физических систем в соответствующих условиях, созданию программ обработки спектров.
Данная диссертация включает исследования мессбауэровских спектров полученных в режиме воздействия внешних когерентных полей на образец. В частности, мы изучаем последствия р.ч. воздействия на
магнитные материалы. Эти исследования преследуют, по крайней мере, две цели.
Во-первых, такие эксперименты представляют новый метод исследования — р.ч. мессбауэровскую спектроскопию, которая в настоящее время с успехом применяется для исследования магнитной микроструктуры нанокристаллических сплавов. Магнитная сверхтонкая структура р.ч. мессбауэровских спектров поглощения является важным источником информации о механизмах перемагничивания магнитных материалов на локальном уровне.
Во вторых, мессбауэровская спектроскопия в условиях когерентных воздействий на образец представляет интерес с точки зрения гамма-оптики. Гамма-излучение, распространяющееся в резонансной среде, в этих условиях, меняет свои параметры: интенсивность, частоту, поляризацию. То есть в этом случае интерес представляют механизмы контролируемого изменения мессбауэровского (гамма) излучения.
Внимание к гамма-оптическим аспектам когерентного воздействия на мессбауэровские переходы особенно возросло в 90-е годы, после получения целого ряда эффектов квантовой интерференции в оптике, таких как безинверсное усиление, электромагнитно-индуцированная прозрачность, увеличение показателя преломления при уменьшении коэффициента поглощения (существенное уменьшение групповой скорости света). Представляло интерес получение этих эффектов на мессбауэровских переходах, что, в частности, позволило бы осуществить генерацию когерентного излучения в гамма диапазоне в безинверсном режиме. Исследования эффектов когерентности и квантовой интерференции на
мессбауэровских переходах, в связи с этим, являются до сих пор актуальными, тема включается в программы конференций по нелинейной оптике и интенсивно обсуждается в литературе.
Исследования, проводящиеся в рамках гамма оптики и когерентных воздействий на систему, полезны и с точки зрения развития техники мессбауэровской спектроскопии. Модификации мессбауэровской спектроскопии, используемые для наблюдения эффектов квантовой интерференции, позволяют получать значительно больше информации о исследуемом объекте, нежели традиционный метод поглощения.
Цель работы.
Исследование процесса трансформации внешнего р.ч. магнитного поля в процессе перемагничивания в переменное периодическое сверхтонкое поле на ядре в магнетиках типа «легкая плоскость» и связанных с этим изменений мессбауэровских спектров поглощения такого магнетика.
Исследование эффектов квантовой интерференции в мессбауэровских спектрах спонтанного излучения четырехуровневой электронно-ядерной системы под воздействием внешнего резонансного р.ч. поля.
Исследование интерференционных эффектов в спектрах резонансного рассеяния мессбауэровского излучения в условиях антипересечения подуровней.
Научная новизна.
Разработана модель описывающая, трансформацию мессбауэровских спектров, для магнетиков типа «легкая плоскость» в процессе их радиочастотного перемагничивания.
Получены аналитические выражения для интерференционного вклада в мессбауэровский спектр спонтанного излучения четырехуровневой электронно-ядерной системы в режиме воздействия внешним резонансным р.ч. полем.
Впервые показано перераспределение интенсивности между упругим и неупругим каналами в процессе резонансного рассеяния мессбауэровского излучения на ядре 57Fe в условиях антипересечения спиновых подуровней.
Теоретически показано существование нового эффекта — «динамического антиперссечения», в условиях вращающегося в плоскости сверхтонкого поля на ядре.
Научная и практическая ценность. Расчеты, представленные в диссертации, показывают возможность радикальной модификации мессбауэровских спектров поглощения магнитных образцов типа «легкая плоскость», благодаря движению намагниченности (и сверхтонкого поля) под действием внешнего р. ч. поля. Тем самым показана эффективность традиционней техники мессбауэровских измерений для изучения динамики намагниченности в этих образцах.
Впервые рассмотрены механизмы квантовой интерферен і щи в процессе резонансного рассеяния мессбауэровского излучения в системе
с антипересечением спиновых подуровней. Предложен новый механизм антиперечесєния — «динамическое» антипересечеиие, который имеет место в режиме вращающегося (в плоскости) сверхтонкого поля в магнитных материалах. Положения выносимые на защиту.
Разработана теоретическая модель р.ч. мессбауэровских спектров поглощения для магнетиков типа «легкая плоскость» (F0BO3). Получены закономерности изменения мессбауэровских спектров в зависимости от параметров модели: значений р.ч. амплитуды и поля плоскостной магнитной анизотропии. Учтено влияние возможных релаксационных скачков намагниченности между минимумами свободной энергии. Получено согласие результатов с экспериментом.
Получены аналитические выражения для спектра спонтанного излучения электронно-ядерной мессбауэровской системы в режиме р.ч. перемешивания электронных подсостояний. Квантовая интерференция амплитуд приводит к возникновению участков деструктивной и конструктивной интерференции в спектре, в зависимости от способа приготовления начального состояния системы.
Предложен механизм перераспределения интенсивностей упругого и неупругого каналов в спектрах резонансного рассеяния гамма-квантов, в условиях антипересечения ядерных подуровней. Перераспределение интенсивностей имеет место из-за различного характера (деструктивного и конструктивного) квантовой интерференции для этих каналов.
4. Предложен новый механизм антипересечения - антиперессчение в условиях динамического пересечения в системе с вращающимся сверхтонким полем и неаксиальным градиентом электрического поля. Расчет проведен для изотопа 57Fe ,
Диссертация состоит из четырех глав и списка цитируемой литературы. Содержание диссертации следующее:
Первая глава представляет собой литературный обзор и подразделяется на две части. Первая часть посвящена истории и современному состоянию радиочастотной мессбауэровской спектроскопии. Вторая часть заключает описание эффектов, появляющихся при когерентном воздействии на систему благодаря квантовой интерференции. Перечислены основные эффекты открытые оптическими методами: электромагнитно-индуцированная прозрачность, изменение групповой скорости света, безинворспое усиление. Рассмотрены работы, исследующие возможности получения таких эффектов в гамма диапазоне, в частности на мессбауэровских уровнях.
Вторая глава посвящена исследованию трансформации мессбауэровских спектров поглощения магнетиков типа «легкая плоскость» под воздействием внешнего магнитного р.ч. поля. Основная часть этой главы посвящена теоретическому рассмотрению данного явления. Разработана модель перемагничивания для магнитных материалов такого типа. В данной модели методом супероператора эволюции получены мессбауэровские спектры
поглощения системы в условиях р.ч. перемагничивания. В данной главе также представлены экспериментальные данные по воздействию р.ч. поля на FeBOg проведенные на кафедре ФТТ КГУ и проведено сравнение эксперимента с разработанной теоретической моделью.
Третья глава включает рассмотрение эффектов квантовой интерференции в спектрах спонтанного излучения четырехуровневой электронно-ядерной системы под воздействием когерентного р.ч. поля. Рассмотрение проведено в рамках приближения естественной ширины линии (аналитически) и с помощью уравнения движения для матрицы плотности системы (численно). Методы, первоначально разработанные для оптического диапазона, были модифицированы для описания этой системы. В данной главе получены аналитические выражения для описания интерференционного вклада в спектры спонтанного излучения системы. В методе расчета с использованием матрицы плотности была учтена электронная релаксация. Рассмотрены результаты влияния квантовой интерференции на форму спектров такой системы. Рассмотрено влияние электронной релаксации на эффекты квантовой интерференции.
Четвертая глава представляет результаты теоретического исследования рассеяния мессбауэровского излучения на системе с «антипересечением» мессбауэровских подуровней. Рассмотрены эффекты возникающие в данной системе из-за интерференции квантовых амплитуд рассеяния, имеющие место в данном случае.
Так же рассмотрен новый механизм антипересечения, названный нами «динамическим аптипересечепием». Он становится возможен в системе со сверхтонким полем, вращающимся как целое в одной плоскости.
По материалам представленным в данной диссертации было опубликовано четыре статьи в зарубежных и центральных журналах; «Laser Physics», «Известия РАН», «Письма в ЖЭТФ» и материалы конференции «VII AFOSR Workshop on Isomers and Quantum Nucleonics».
Основные результаты диссертации были представлены на ряде конференций:
Международная конференция «International Conference on the Applications of the Mossbauer Effect» (ICAME) Монпелье, Франция, 2005 г.
Международная конференция «Мессбауэровская спектроскопия и ее применения».-Казань; 2000 г.; Санкт-Петербург, 2002 г.; Екатеринбург, 2004 г.; Ижевск, 2006 г.
Международная конференция «Nanoscale properties of condensed matter probed by resonance phenomena», Казань 2004 г.
Международная конференция «AFOSR Workshop on Isomers and Quantum Nucleonics», Дубна, 2005 г.; Нижний Новгород-Казань-Нижний Новгород, 2006 г.
Квантовая интерференция радиационных переходов и ее результаты
Исследования эффектов внешних когерентных воздействий на мессбауэровские спектры началось вскоре после открытия эффекта Мессбауэра. В 1960-е годы было теоретически и экспериментально изучено явление акустической модуляции мессбауэровского излучения [1, 2]. Типичный спектр в этих условиях состоит из невозмущенного мессбауэровского спектра в отсутствии звука (например, одиночной линии) и его сателлитов, отстоящих на частоту, кратную частоте звука, пНи;зв, где п = ±1,±2,..., а шзв - частота ультразвука. Интенсивность сателлитов зависит от уровня возбуждения звука в образце и от статистики звукового поля. Теория этого явления не сложна, его можно объяснить в рамках как классических [3], так и квантовых представлений [4].
Далее последовали эксперименты с применением р.ч. магнитного поля [5-9]. Характерная их особенность также состоит в появлении сателлитов в спектрах магнитных материалов. Если в случае экспериментов с использованием ультразвука теоретическая интерпретация сателлитов была однозначной, как с классической, так и с квантовой точек зрения, в случае экспериментов с радиочастотным магнитным полем были выдвинуты два основных механизма формирования сателлитов. Первый — магнитострикционный [8] — предполагает появление ультразвуковых колебаний в кристалле как результата динамической магпитострикции. второй — магнитодинамический [10] — объясняет появление сателлитов как следствие модуляции эффективного магнитного поля на ядре. Анализ экспериментальных результатов чаще подтверждал первую версию (см. [11]), хотя количественное согласие теории и эксперимента достигалось только в результате дополнительных допущений [8]. Во всяком случае, в магнитоупорядоченпых веществах магнитострикционные сателлиты появлялись постоянно, если не предпринимались специальные меры для уменьшения амплитуды звука в образце.
В то же время, р.ч. мессбауэровские эксперименты позволили наблюдать еще одно интересное явление. Было обнаружено, что в мягких магнитных материалах (например, в пермаллое) при больших частотах внешнего р.ч. поля, порядка 100 МГц, магнитная сверхтонкая структура спектра исчезала. Это явление получило название р.ч. коллапса сверхтонкой структуры. При этом зеемановская структура мсссбауэровского спектра схлопывалась в одиночную линию.
В этой связи необходимо отметить теоретическую работу 12], в которой на основе модели ступенчатого (во времени) поля были рассчитаны спектры, хорошо описывающие эксперимент [9]. Как показали расчеты, в этом случае при достаточно больших частотах изменения поля по знаку происходил коллапс сверхтонкой структуры мессбауэровских спектров. Явление р.ч. коллапса подверглось тщательному экспериментальному исследованию в ряде магнитомягких материалов [7,13,14].
Наиболее интересными оказались исследования поведения мессбауэровских спектров в условиях резонанса на возбужденном или основном уровнях ядра. Эта методика получила название двойного гамма-магнитного резонанса. В 1961 году появилась известная работа Хэка и Хаммермеша [15] по влиянию резонансного р.ч. поля на форму спектров мессбауэровского излучения. В этой работе теоретически было показано, что спектр мессбауэровского излучения ядра в условиях ЯМР расщепляется на 2(/е + 1) зеемановских линий, с величиной расщепления, пропорциональной амплитуде р.ч. поля. Этот эффект является аналогом эффекта Аутлера-Таунса в оптике [16] и в настоящее время классифицируется как квазиэнергетическое расщепление (после известной работы Я. Б. Зельдовича [17]). Работа [15] получила развитие в трудах Митина [18] и Габриеля [19], как в смысле теории, так и в смысле поиска новых экспериментальных схем и возможностей.
В области эксперимента, однако, попытки обнаружить влияние переменного магнитного поля на мессбауэровские спектры магнитных материалов в соответствии с [15] долгое время оставались безуспешными. Успех был достигнут в экспериментах на парамагнетиках [20,21]. Здесь удалось наблюдать форму спектров в соответствии с выводами теории. Разумеется, ситуация в этом случае оказывается проще вследствие отсутствия магнитострикции.
Значительное внимание в связи с явлением двойного гамма-магнитного резонанса было уделено теории резонансного рассеяния гамма квантов [22,23], последовавшей за экспериментальной работой [б], в которой была применена схема рассеяния. В этом эксперименте мессбауэровский источник (с одиночной линией излучения) мог быть настроен в резонанс с любым из переходов зеемановской шестерки для изотопа 57Fe. Испускаемые им гамма-лучи попадали на образец, содержащий порошок железа (дабы исключить сателлитные эффекты), и рассеивались под прямым углом. Рассеянное таким образом излучение анализировалось по энергии образцом с одиночной линией поглощения. Одиночная линия излучения источника возбуждала только один из возможных подуровней ядра Ме,те). Рассеяние на этом подуровне определяется правилами отбора для дипольного излучения. При возбуждении в образце ЯМР переходов ядро получало возможность совершать р.ч. переходы на соседние с Ме, те) подуровни. Как следствие, в спектре рассеяния появлялись новые линии; отвечающие переходам с этих новых подуровней Ме,те±1). Экспериментальное наблюдение подобных линий свидетельствовало об эффективности ЯМР переходов и о создании в образце условий двойного гамма-ЯМР резонанса. Впоследствии была разработана исчерпывающая теория происходящих при этом процессов [22].
Вычисление сечения поглощения системы с периодически меняющимся сверхтонким взаимодействием
В последние десятилетия уделяется большое внимание радиочастотным мессбауэровским экспериментам с магнитоупорядо-ченными образцами. Суть их состоит в том, что образец подвергается воздействию внешнего магпитного р.ч. поля и одновременно с этим регистрируется мессбауэровский спектр этого же образца. Радикальная модификация мессбауэровских спектров в этом случае объясняется тем, что появляется зависимость от времени сверхтонкого взаимодействия электронной оболочки и ядра из-за перемагиичивания образца. К настоящему времени накоплен достаточно обширный экспериментальный и теоретический материал в этой области (см. разд. 1.1 данной диссертации или например известный обзор Шриваставы [11]).
Особую актуальность эти исследования приобрели в связи с оптическими исследованиями эффектов квантовой интерференции (КИ). Из оптических исследований известно, что для реализации эффектов КИ необходимо сильное когерентное воздействие на систему, которое в оптике создается лазерами. В гамма диапазоне когерентное воздействие на систему ядерных спинов возможно реализовать с помощью модуляции сверхтонких взаимодействий электронной оболочки с ядром. Именно это происходит при воздействии р.ч. поля на магнитоупорядочеиный образец. Однако, этого еще не достаточно—необходимо уметь получать любое заданное воздействие на ядро, что не является тривиальной задачей. Дело в том, что воздействие внешнего когерентного р.ч. поля на ядерные спины магнитных материалов представляет из себя достаточно сложный процесс, зависящий от магнитных характеристик (магнитная анизотропия, доменная структура) вещества и параметров р.ч. поля.
Сверхтонкое поле, действующее на ядерные спины, может существенно отличаться по форме временной зависимости и по абсолютной величине от внешнего р.ч. ПОЛЯ.
Необходимо каким-то образом измерять получающуюся модуляцию сверхтонкого взаимодействия в эксперименте, чтобы, если необходимо, корректировать внешнее воздействие до получения требуемого результата. Для этой цели можно использовать месебауэровские р.ч. эксперименты.
Для уменьшения влияния посторонних факторов необходимо выбирать для экспериментов вещества с соответствующими характеристиками (например такие, в которых магнитная анизотропия минимальна). С этой целью нами выбран борат железа (РеВОз).
Выбор этого материала для исследований определяется несколькими причинами теоретического и экспериментального свойства. Прежде всего, его магнитной структурой; это неколлинеарный антиферромагнетик типа «легкая плоскость» в котором наличествуют две магнитные подрешетки с равными сверхтонкими полями, лежащие в одной («легкой») плоскости, направленные почти антипараллелы-го (угол незначительно отличается от 180). Намагниченность определяется векторной суммой намагниченностей подрешеток. Магнитная анизотропия в "легкоймшюскости мала, то есть, воздействием относительно слабого внешнего р.ч. поля, можно эффективно управлять намагниченностью (и сверхтонким полем). Так же с мессбауэровской точки зрения структура бората железа достаточно проста: невозмущенной мессбауэровский спектр представляет собой зеемановский секстет. Кроме того, FeBOg — диэлектрик, и при воздействии интенсивного магнитного поля он не испытывает нагрева за счет токов Фуко. Также, приготовление монокристаллов FeBC достаточно отработано, что значительно облегчает экспериментальные исследования и последующее теоретическое описание.
Таким образом, опираясь на все вышесказанное, мы поставили себе следующую задачу: разработать теоретическую модель описывающую трансформацию мессбауэровских спектров поглощения магнетиков типа «легкая плоскость» в процессе их р.ч. перемагничивания. Разработанная нами теория учитывает изменение направления сверхтонкого поля под действием р.ч. поля, релаксационные переходы за счет тепловой энергии, эффекты самопоглощения и магннтострикции.
Нами также были проведены эксперименты по р.ч. перемагничиванию образцов, представляющих собой тонкие монокристаллические пленки пленки из бората железа, вырезанные таким образом, чтобы «легкая» плоскость располагалась параллельно плоскости пленки. Нами исследовано влияние р.ч. магнитного поля 1,11 частотой 7-30 МГц на мессбауэровские спектры таких образцов. Были проведены измерения с р.ч. полями, ориентированными вдоль плоскости образца и имеющими как линейную,так и круговую поляризацию. Измерения проводились при различных температурах (293К - 343К). Амплитуда р.ч. поля составляла 1-20 Э.
Интерференция электронно-ядерной системе: рассмотрение в рамках теории естественной ширины линии
Сечение поглощения гамма-кванта ядрами при введении в рассмотрение релаксационных процессов можно записать аналогично (2.18), если Здесь символ означает прямое произведение операторов. В нашем случае супероператор /ea:i(t,t ) действует в пространстве переменных размерностью (215+1)(21е--1), при этом супероператоры сверхтонкого взаимодействия L (t) действуют в пространстве только ядерных переменных и соответствуют различным локальным минимумам свободной энергии, а релаксационная матрица Pe xt(t), диагональная по ядерным переменным, определяется введенными ранее релаксационными параметрами щ. Операция взятия шпура (Sp) здесь происходит только по ядерным переменным. (W(t) представляет собой строку заселенностсй, а 1) — единичный столбец.
Отметим, что супероператоры L{t) и P(t) полностью определяются характеристиками исходной модели и характеристиками р.ч. поля, однако в целом мессбауэровские спектры определяются еще и динамикой системы частиц во времени через входящий в уравнение (2.29) вектор неравновесных заселенностей {W(i), для нахождения компонент которого необходимо решить систему уравнений (2.3).
Приведенное выше выражение (2.29) для малых амплитуд внешнего р.ч. поля не может быть автоматически перенесено на случай больших полей, поскольку в этом случае в определенные моменты времени количество локальных минимумов может уменьшиться. Например, в случае одноосной анизотропии будет существовать всего один абсолютный минимум, а вопрос о релаксационных процессах в эти моменты времени полностью снимается. Рассмотрение этого случая можно провести используя метод подобный примененному в работе [29], обобщив его на произвольное количество минимумов.
Будем считать формально, что в любой момент времени существует постоянное число минимумов энергии. Для этого введем понятие «вырожденного» минимума, оставляя общее количество минимумов неизменным. Тогда для такого минимума очевидно положить заселенность равной нулю, а вместо оператора L (t), соответствующего этому минимуму, брать соседний L +1\t) или l/ _1 (t) в зависимости от того, куда переходит система из данного «вырожденного» минимума. При этом необходимо учесть, что вид матрицы P(t) (2.32) изменится. Например, в случае вырождения второго минимума будем иметь: т.е. если раньше мы считали, что перескок вправо с минимума под номером один происходит на минимум номер два, то теперь перескок происходит на третий минимум. В строке, соответствующей второму минимуму, стоят нули, поскольку его как такового не существует, а, следовательно, ои не может участвовать в релаксационном процессе.
Теперь необходимо рассмотреть оператор эволюции в окрестности момента времени исчезновения минимума, при этом должны оставаться справедливыми такие свойства оператора эволюции, как:
Запишем оператор эволюции U таким образом, чтобы он имел блочный вид, разложенный по стохастическим переменным: при этом Uij(t2,h) имеет тот же смысл, что и оператор эволюции в строго детерминированной модели [28,47] при условии, что в момент ti система с вероятностью равной единице находилась в j-тоьл минимуме, а в момент ї2 оказалась в г-том.
Рассмотрим теперь интервал времени ti tc її такой, что в момент t\ существует N минимумов, а в момент i2—(N-1) минимумов, при этом в момент времени t(. происходит исчезновение, например, второго минимума за счет его совпадения с первым. Исходя из смысла каждого блока оператора /, вид U(tc + Дї,їі) при условии At -л 0 будет такой, что вторая строка, соответствующая описанию эволюции системы, когда в конечный момент времени система окажется во втором минимуме, заполнена нулями. Вероятность поглощения гамма кванта за время от її до tc пропорциональна (И їі)] U{tCit\) 1). Рассмотрим (И (їі) U(tc + Дї,її) 1) и {W(ti)\U(tc — Дї,їі) 1): если считать, что At - 0, то должно выполняться соотношение:
Эффекты интерференции в спектрах рассеяния в условиях антипересечения уровней
Интерес к эффектам квантовой интерференции па 7-переходах, возникающей в результате когерентных воздействий, появился два десятилетия назад. Особое внимание привлекли 7_пеРехоДЬІ в сложных (электронно-ядерных) системах. В данной главе рассматриваются эффекты квантовой интерференции (КИ), появляющиеся в 7-спектре спонтанного рассеяния электронно-ядерной парамагнитной системы в режиме резонанса на электронных спинах. Появление эффектов КИ связано с приготовлением начального состояния системы. Определена роль электронной релаксации: увеличение скорости релаксации (до уровня частоты Раби р.ч. поля) ведет к исчезновению КИ. Рассматривается стационарный случай возбуждения мессбауэровских подуровней некогерентным источником.
Квантовая интерференция служит причиной ряда интересных эффектов в оптическом диапазоне. Стоит упомянуть такие эффекты, как безинверсное усиление [37, 59], электромагнитгю-индуцированная прозрачность [34, 60], увеличение коэффициента преломления с одновременным уменьшением коэффициента поглощения [61], чтобы объяснить интерес к исследованиям в этой области.
Реализация эффектов КИ связана с возможностью контролировать состояние квантовой системы. Это придает актуальность исследованиям [4) влияния контролируемых возмущений на динамику квантовых систем и на спектры излучения и поглощения. Такие исследования представляют особый интерес в 7-Диаиазоне. Изучение месбауэровских спектров в условиях когерентной динамики ядерных спинов ведутся довольно давно [6,15,62,63] и сейчас стимулированы идеей безинверсного усиления, которая пришла из оптики [43]. Ожидаемые эффекты должны продвинуть нас далее в решении главной проблемы 7-оптики — проблемы усиления и генерации когерентного излучения. Целью этой работы является изучение эффектов КИ на мессбауэровских переходах. Мы использовали теоретические модели, разработанные в оптике, которые наиболее полно отражают природу квантовой интерференции [40, 41, 64, 65]. В то же время, мы учли особенности, свойственные рассматриваемым явлениям в 7-Диапазопе. Использование мессбауэровских переходов дает нам уникальную возможность иметь дело с излучением естественной ширины в этом частотном диапазоне. Кроме того, необходимо добавить, что существует большое количество теоретических [15,18, 19, 28] и экспериментальных [6, 62, 63] исследований когерентной спиновой динамики на мессба.уэровских переходах. Далее мы покажем, что с экспериментальной точки зрения исследование эффектов КИ требует больше усилий в приготовлении начального состояния квантовой системы, чем традиционные эксперименты, скажем, наблюдение квазиэнергетической структуры мессбауэровкого спектра [15,19,62.63]. Условия таких экспериментов могут быть легко достижимы, сейчас мы должны выбрать их таким образом, чтобы доказать наблюдение эффектов КИ. Другая специфическая особенность состоит в отсутствии когерентных источников излучения в 7-Диапазоне и, таким образом, когерентное связывание квантовых состояний реализуется с помощью классических радиочастотных полей или оптического лазерного излучения.
Поскольку такие поля эффективно влияют на электронные степени свободы, в ряде предыдущих работ было предложено изучать эффекты когерентного воздействия на мессбауэровские 7 спектРоскопические переходы между электронно-ядерными состояниями [44,66,67].
В этом случае сверхтонкое взаимодействие включается в рассмотрение, и его роль существенно зависит от скоростей электронной релаксации. Обсуждаемые выше особенности проиллюстрированы на примере магнитных ионов мессбауэровского изотопа 57Fe. Мы вычислим спектр спонтанного излучения 7-кваытов электронно-ядерной системой, возбуждаемой электронным контролирующим полем. Рассмотрение проводилось двумя методами. Сначала представлены результаты, полученные в рамках приближения Вескопфа-Вигнсра [56] аналитическим методом. Следующий раздел содержит рассмотрение проблемы, использующее метод матрицы плотности.
Энергетическая структура магнитного мессбауэровского атома определяется суперпозицией электронного зеемаповского спектра и сверхтонкой структуры возбужденного и основного состояний ядра. На рис. 3.1 показана структура энергетических уровней мессбауэровского изотопа Fe для электронного спина S = 1/2 (см. [66]). Магнитоупорядочениая система в такой схеме может быть описана одним (максимально возможным) значением проекции электронного спина. В таком случае достаточно одной переменной Mj для идентификации энергетических уровней. Это хорошо известное приближение эффективного поля. Однако, в случае электронной парамагнитной системы энергетические уровни необходимо характеризовать двумя квантовыми числами (Ms, Mr). Теперь существует вырождение гамма перехода благодаря разным состояниям электронного спина, которое снимается сверхтонким взаимодействием. В данной работе мы прежде всего интересуемся эффектами КИ в спектре спонтанного 7-излучепия, возникающими из-за р.ч. перемешивания электронных состояний. Мы проанализируем 4-х уровневую (рис. 3.1Ь) схему с произвольными 7-переходами (/ ,, М) - (1д, т).
