Параэлектрический резонанс

Шаблон:Проводится экспертиза РАН Параэлектри́ческий резона́нс — явление резонансного поглощения электромагнитных волн в веществе, вызванное квантовыми переходами частиц между различными энергетическими состояниями с разными ориентациями дипольных моментов по отношению к внешнему электрическому полю.

Физические основы

Файл:Спектр параэлектрического резонанса 1.svg

Схематическое представление спектра параэлектрического резонанса в системе «ионы лития ${\ce {Li^7}}$ в хлориде калия ${\ce {KCl}}$»

Впервые параэлектрический резонанс наблюдали в 1966 году, что положило начало возникновению и развитию целого направления в физике твёрдого тела — электрической радиоспектроскопии.

Параэлектрический резонанс возможен только в тех случаях, когда ориентация дипольных моментов дискретна по отношению ко внешнему электрическому полю. Наблюдается в твёрдых телах на частотах в диапазоне $10^{10}-10^{11}$ Гц, что соответствует СВЧ-области. Переориентация электрических дипольных моментов молекул (или примесных центров) в кристаллах из одного равновесного положения в другое происходит под действием электрической составляющей электромагнитного поля. Эти высокие потенциальные барьеры разделены относительно невысокими потенциальными барьерами, между которыми возможно туннелирование, изменяющее конфигурацию энергетического спектра, приводя к расщеплению энергетических уровней, при этом внешнее электрическое поле смещает и расщепляет уровни, что приводит к изменению частоты переходов.

Параэлектрический резонанс возникает в ионных кристаллах при смещении центральных ионов из основного положения в нецентральное положение равновесия, или при легировании ионного кристалла примесными центрами. В результате этих процессов образуются электрические дипольные моменты. Параэлектрический резонанс наблюдался в кристаллах хлорида калия ${\ce {KCl}}$, легированный ионами лития ${\ce {Li^+}}$ в диапазонах температур ниже 10 К, а также в кристаллах с дефектами, обладающими дипольным моментом (например, примесные молекулы ${\ce {OH^-}}$, ${\ce {CN-}}$, ${\ce {Ag+}}$и др.).

При приложении к таким кристаллам внешнего переменного электрического поля возникают квантовые переходы как с излучением энергии, так и с её поглощением, то есть кристалл становится источником электромагнитных волн на определённых частотах, соответствующих разности энергий между энергетическими уровнями, между которыми произошли эти переходы.

Спектры параэлектрического резонанса обладают широкими резонансными линиями (порядка $10^{8}-10^{10}$ Гц), поскольку они крайне чувствительны к неоднородностям внутрикристаллического поля и сильной диполь-фононной связью. Это свойство используется для генерации СВЧ-фононов.

Явление параэлектрического резонанса применяется для электрического адиабатического охлаждения, в фононных генераторах, и др.

На рисунке схематически представлен спектр параэлектрического резонанса в хлориде калия ${\ce {KCl}}$, легированного ионами ${\ce {Li^7}}$. Частота электрического поля составляла $\nu =63$ ГГц и температуре $T=4,2$ К. Концентрация ионов лития равнялась $n_{Li}=7\cdot 10^{16}$ см⁻³. Линии 1 и 3 обусловлены запрещёнными переходами, а 2 — разрешёнными. Экспериментальные измерения доказали правильность модели восьмиямного потенциала в туннельном приближении для ионов ${\ce {Li^+}}$ в ${\ce {KCl}}$.

Литература

• Радунская И. Л. Радиоспектроскопия. — Москва, Л.: Государственное энергетическое издательство, 1958. — 40 с.
• Стильбанс Л. С. Физика полупроводников. — Москва : Советское радио, 1967.
• Дмитриев Ю.И. Радиоспектроскопические приборы. — Л.: ЛЭТИ, 1978. — 89 с.
• Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твёрдого тела. — Москва: «Мир», 1979.
• Глинчук М. Д., Грачев В. Г., Дейген М. Ф. и др. Электрические эффекты в радиоспектроскопии : Электронный, парамагнитный, двойной электронно-ядерный и параэлектрический резонансы. — Москва : Наука, 1981.
• Копвиллем У. Х., Сабурова Р. В. Параэлектрический резонанс. — Москва : Наука, 1982.
• Ройцин А. Б. Радиоспектроскопия твёрдого тела. — Киев : Наукова думка, 1982.
• Семёнов В. В. Квантовая радиофизика. Радиоспектроскопия. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. — 107 с. — ISBN 978-5-7422-2258-3.

Ссылки

• Резонансные методы исследования вещества

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Параэлектрический резонанс», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Параэлектрический_резонанс» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».