Диссертация (1150798), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Анализатор преобразует «дрожание» азимута вшумы мощности излучения Δ , которые и регистрируются фотодиодом. Здесьнеобходимо сделать несколько важных замечаний.2В дальнейшем вместо термина «мощность света» во избежание частых повторений может быть использован термин «интенсивность света» в том же значении полной мощности пучка.30Во-первых, интенсивность прошедшего через анализатор света может изменяться не только за счёт поворота плоскости поляризации света, но и вследствиенестабильности источника.
Эта проблема может быть решена с использованиембалансного фотодетектора (см. 2.2.2).Во-вторых, величина сигнала напрямую связана с величиной флуктуаций намагниченности, которые, в свою очередь, фундаментально ограничены соотношением (2.2). Поскольку величина спонтанных флуктуаций не может быть увеличеназа счёт увеличения внешнего воздействия на систему (как в случае стандартнойспектроскопии линейного отклика), то отношение сигнала к шуму может бытьулучшено только за счёт повышения чувствительности схемы. Оценка фундаментального ограничения чувствительности поляриметра приведена в разделе 2.2.2,а экспериментальное исследование методов повышения чувствительности представлено в главе 3.В-третьих, с практической точки зрения, для максимально продуктивногоспектрального анализа шумов требуется эффективно использовать весь доступный сигнал в как можно большей области частот.
Скорость работы одноканальных(сканирующих) спектроанализаторов ограничена принципом их работы, неизбежно приводящим к потере полезного сигнала. Это ограничение было преодолено совнедрением спектроанализаторов, использующих быстрое преобразование Фурье.Рассмотрение принципов работы этих устройств и способов эффективного накопления сигнала не входит в задачи данной работы. Подробное рассмотрении теорииспектрального анализа представлено в монографии А.
А. Харкевича [87], а работа[56] рассматривает вопрос оптимальной реализации спектроанализирующей схемы применительно к исследованию спиновых шумов в полупроводниковых структурах.Наконец, ещё один практический вопрос заключается в том, как в подобномшумовом магнитооптическом эксперименте должно быть направлено магнитноеполе относительно светового пучка. Для ответа потребуется рассмотреть, чем будет определяться характер шумового сигнала в различных ориентациях.312.2.1Геометрия экспериментаКак правило, магнитооптические измерения производятся в одной из двухгеометрий: при распространении светового пучка соответственно вдоль и поперёк магнитного поля.
Продольная конфигурация носит название геометрии Фарадея, поперечная — геометрии Фохта. Для понимания природы различий сигналовв этих геометриях, необходимо ввести понятия продольной и поперечной релаксаций.Продольная и поперечная магнитная релаксацияРассмотрим парамагнетик, к которому в некоторый момент времени прикладывается внешнее магнитное поле. Изначально парамагнетик полностью размагничен, поэтому в первый момент после наложения магнитного поля имеетсяследующая картина: вырождение магнитных уровней снято, но населённости расщеплённых уровней не подчинены распределению Больцмана, а равны. В начальный момент времени намагниченность системы равна нулю, а среда обладает избытком энергии.
Система начинает стремиться к состоянию термодинамическогоравновесия путём перераспределения энергии по доступным степеням свободыи приобретения проекции момента импульса, необходимых для намагничивания.Этот процесс, разумеется, происходит при любом изменении величины внешнего поля, и носит название продольной релаксации намагниченности. Продольнойона называется по той причине, что речь идёт о релаксации компоненты, сонаправленной со внешним магнитным полем.
Длительность этого процесса зависитот свойств конкретного парамагнетика, и его характерные времена могут лежать вкрайне широком диапазоне от пикосекунд до десятков тысяч секунд. Таким образом, процесс релаксации инерционен и характеризуется скоростью релаксации —величиной, обратной времени релаксации 1 . Поскольку процесс установлениятермодинамического равновесия идёт по экспоненциальному закону, то время 1 ,как правило, означает временной интервал, за который происходит изменение намагниченности в раз.32При изменении направления магнитного поля процесс релаксации не сопровождается диссипацией энергии и затрагивает только поперечную компоненту намагниченности, приводя к прецессии намагниченности вдоль направления внешнего поля [88, с.
30]. Конечным результатом релаксации поперечной компонентыдолжно стать отсутствие выделенного направления в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Этот процесс называется поперечной или фазовой релаксацией намагниченности и характеризуется временной константой 2 .Причин фазовой релаксации две. Первая состоит в том, что фаза прецессии отдельных микрочастиц со временем сбивается вследствие взаимодействия с другими частицами. Этот процесс называется необратимой фазовой релаксацией.Вторая заключается в возможной разнице свойств отдельных частиц и различиискоростей их прецессий. Такой процесс называется обратимой фазовой релаксацией, поскольку в этом процессе разрушается только макроскопическая осциллирующая намагниченность, а каждая из частиц продолжает прецессировать со своей фазой. Интересно отметить, что обращение процесса разбегания фаз не толькоосуществимо на практике (так называемый эффект спинового эха [89]), но и широко применяется в таких областях исследований, как импульсные методы ЯМР,МРТ, спектроскопия нейтронного спинового эха; впоследствии также получилоразвитие сходное направление исследований фотонного эха [90], где эффект возникает на оптических частотах.Эти рассмотрения справедливы в рамках классической модели магнитного момента — намагниченного волчка.
Однако в квантовом подходе проекцияэлектронного спина на выделенную ось может принимать всего два значения и,как может показаться, говорить о прецессии составляющей по этой оси некорректно. Тем не менее строго квантовано может быть только измеренное значениеспина. При проведении реального опыта прецессия системы будет обнаружена попериодическому изменению во времени среднего значения проекций спинов на выбранное направление. В терминах энергетических уровней состояния прецессирующего электрона могут быть описаны следующим образом [88, с. 53]. Проекциямомента на выделенную ось не имеет определённого значения, так как до измерения система находится в суперпозиции двух состояний. При измерениях проекцииспина на ось, перпендикулярную направлению внешнего магнитного поля среднеезначение, измеренное за длительный промежуток, разумеется, будет равно нулю,⟨ ⟩ = 0.
Однако мгновенное значение при каждом измерении будет равняться33Рисунок 2.4 — АКФ и плотностьмощности шумового сигнала вгеометрии Фарадея.Рисунок 2.5 — АКФ и плотностьмощности шумового сигнала вгеометрии Фохта.±1/2. В ненулевом внешнем поле спин начнёт прецессировать вдоль направленияэтой оси на ларморовской частоте. Это будет означать, что при регистрации поперёк направления магнитного поля осциллировать будет вероятность обнаружения одной из двух проекций.Геометрии Фарадея и ФохтаГеометрия Фарадея, в которой регистрируются продольные флуктуации намагниченности, кажется простейшей и на первый взгляд самоочевидной для регистрации шумов фарадеевского вращения.
Пробный луч направляется параллельновнешнему магнитному полю (рис. 2.4а). Динамика этих флуктуаций представляет собой случайный инерционный процесс на нулевой частоте и характеризуетсявременем продольной релаксации спинов 1 , что, как было показано в 2.1.3, определяет корреляционные и спектральные (рис. 2.4б,в) характеристики этого процесса.Таким образом, анализируя спектр мощности шумов фарадеевского вращения в продольной геометрии, можно получить информацию о времени 1 , его зависимости от магнитного поля, температуры и других внешних параметров, т.
е. по-34лучить информацию, доступную в ЭПР-спектроскопии или в нерезонансных магнитных измерениях в осциллирующих полях. Надо заметить, что этот эксперимент имеет много общего с техникой парамагнитной релаксации, разработаннойГортером [91] для измерения магнитной восприимчивости парамагнетиков в продольных полях и впоследствии реализованной В. С. Запасским и др. в магнитооптике с использованием техники лазерной поляриметрии [35; 92]. В методе Гортерадинамика спиновой системы измерялась по её линейному отклику на переменноемагнитное поле радиочастотного диапазона, прикладываемого в дополнение к постоянному полю.Существенный недостаток геометрии Фарадея заключается в том, что прилокализации пика в области нулевых частот измерения будут искажены фликкершумами электроники, мощность которых зависит от частоты как 1/ , т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
