Мюонная спиновая спектроскопия (μSR, muon spin rotation/relaxation/resonance) является высокочувствительным методом исследования магнитных свойств материалов на атомарном уровне. Метод основан на использовании положительно заряженных мюонов (μ⁺), введённых в образец, и изучении их спинового поведения под влиянием локальных магнитных полей. Особенность μSR заключается в том, что мюоны являются легкими лептонами с собственным спином 1/2, высокой чувствительностью к локальным магнитным полям и временем жизни около 2.2 μs, что позволяет получать детальную информацию о динамике магнитных моментов и распределении магнитного поля в кристалле.
Ключевым аспектом является взаимодействие спина мюона с магнитными полями в материале. Внешнее и внутреннее магнитное поля приводят к прецессии спина мюона, амплитуда и частота которой регистрируются через детектирование позитронов, испускаемых при распаде мюона. Направление и энергию этих позитронов строго коррелируют со спином мюона в момент распада, что делает метод высокоэффективным для исследования локальной магнитной среды.
Прецессия спина мюона в постоянном магнитном поле (Transverse-Field μSR, TF-μSR) В этом режиме внешнее магнитное поле направлено перпендикулярно начальному спину мюона. Спин мюона начинает прецессировать вокруг направления поля с частотой Лармора:
ωL = γμB
где γμ — гиромагнитное отношение мюона, а B — магнитное поле в точке локализации мюона. Из анализа амплитуды и затухания прецессии определяется распределение локальных полей и их динамика.
Релаксация спина в нулевом поле (Zero-Field μSR, ZF-μSR) Отсутствие внешнего поля позволяет изучать внутренние магнитные поля, создаваемые ядерными и электронными моментами. Затухание спиновой поляризации мюонов характеризует магнитное распределение и динамику магнитных моментов. Чаще всего используется для изучения спиновых стекл, антиферромагнитов и магнитной неоднородности.
Longitudinal-Field μSR (LF-μSR) В этом режиме поле направлено вдоль начального направления спина. LF-μSR позволяет выделять динамическую компоненту релаксации, поскольку статическое локальное поле «выравнивается» внешним продольным полем, а динамическая релаксация проявляется через медленные изменения спиновой поляризации.
Weak Transverse Field μSR (wTF-μSR) Используется слабое внешнее поле для регистрации малых магнитных сигналов в присутствии сильных локальных полей. Метод позволяет точно определять критические температуры магнитного перехода и фракции магнитного объёма.
Спиновая релаксация в μSR описывает потерю начальной поляризации мюонов с течением времени и включает несколько механизмов:
Статическое распределение локальных полей Если мюоны находятся в неоднородном статическом магнитном поле, спиновая поляризация затухает по закону Куйлера или Гаусса:
$$ P(t) = \exp\left(-\frac{\Delta^2 t^2}{2}\right) $$
где Δ — ширина распределения локальных полей.
Динамическая релаксация В присутствии флуктуаций локальных полей (например, термально активированных спиновых флуктуаций) релаксация описывается экспоненциальным или мультиэкспоненциальным затуханием:
P(t) = exp (−λt)
где λ — коэффициент релаксации, связанный с частотой и амплитудой магнитных флуктуаций.
Комбинированные механизмы Реальные материалы часто демонстрируют как статическое распределение полей, так и динамические флуктуации, что требует сложных моделей анализа поляризационных кривых.
1. Сверхпроводники μSR позволяет напрямую измерять распределение магнитного потока в тип-II сверхпроводниках и извлекать параметры Пеннингтона-Лондона, такие как проницаемость λ и когерентная длина ξ. Кроме того, метод используется для изучения спиновой симметрии куперовских пар и выявления неординарных сверхпроводящих состояний.
2. Магнитные материалы
3. Молекулярные магнитные системы и низкоразмерные магнетики μSR позволяет исследовать тонкие эффекты спиновой релаксации, которые недоступны стандартными методами, включая динамику спинов в цепочках и слоях.
4. Исследование диффузии и локальной подвижности ионов В некоторых ионных проводниках и твердых электролитах μSR служит для измерения времени жизни и траектории мюонов, что косвенно отражает подвижность ионов и локальные поля, создаваемые ими.