Resonancia paramagnética acústica

En acústica , la resonancia paramagnética acústica ( RPA ) es un fenómeno de absorción resonante del sonido por un sistema de partículas magnéticas colocadas en un campo magnético externo . Ocurre cuando la energía del cuanto de la onda sonora se iguala al desdoblamiento de los niveles de energía de las partículas, desdoblamiento inducido por el campo magnético. La RPA es una variación de la resonancia paramagnética electrónica (RPE) en la que las ondas acústicas, en lugar de las electromagnéticas , son absorbidas por la muestra estudiada. La RPA fue predicha teóricamente en 1952, independientemente por Semen Altshuler y Alfred Kastler , ^{[ 1 ] [ 2 ]} y observada experimentalmente por WG Proctor y WH Tanttila en 1955. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Tras el descubrimiento de la EPR en 1944, Evgeny Zavoisky predijo que el fenómeno de resonancia no se limitaría a la absorción de radio o microondas, sino que podría extenderse a las ondas sonoras. Esta idea fue desarrollada teóricamente por su colaborador Semen Altshuler en 1952 e independientemente por Alfred Kastler; mientras que Altshuler informó sobre el efecto en los espines electrónicos, Kastler calculó un sistema de espín nuclear. La primera detección experimental de la APR se informó en 1955 utilizando núcleos de ^35Cl en monocristales de clorato de sodio . Este trabajo sobre APR nuclear se extendió a la APR electrónica en 1959. ^{[ 5 ]} Posteriormente, Kastler y Charles Townes propusieron otras aplicaciones de la APR a la polarización nuclear y a los máseres acústicos . ^{[ 4 ]}

El efecto APR es muy similar al EPR: cada electrón o núcleo, ya sea libre o en un sólido, posee un momento magnético y un espín asociado . El espín puede tomar valores enteros o semi-enteros, por ejemplo, 1/2, 1, 3/2, etc., y los componentes magnéticos correspondientes m _s = ±1/2, ±1, ±3/2, etc. En este caso, los niveles para valores de espín positivos y negativos son degenerados, es decir, tienen energías iguales. Al aplicar un campo magnético externo, estos espines se alinean en la dirección del campo o en dirección opuesta; en términos de diagrama de energía, los niveles de energía se dividen como se muestra en la figura. Si una onda sonora con una cierta energía cuántica E incide sobre este sistema de espines, a un determinado valor de campo magnético, cuando E es igual al desdoblamiento magnético ΔE, se produce la absorción resonante del sonido, es decir, el efecto APR. ^{[ 4 ]}

Tanto en EPR como en APR, la energía absorbida se transfiere a la red mediante relajación espín-fonón. Sin embargo, mientras que en EPR este proceso es de segundo orden y, por lo tanto, involucra dos fonones, en APR la relajación solo requiere un fonón y, por consiguiente, es mucho más rápida. Esto afecta la forma de la línea de resonancia y su dependencia de la temperatura, y permite estudiar la relajación espín-red de manera diferente en EPR y APR. ^{[ 4 ]}

La APR se mide comúnmente mediante la técnica de eco pulsado a altas frecuencias sonoras del orden de 100  MHz a 100  GHz. Dos caras opuestas de un cristal estudiado se pulen a espejo y se hacen paralelas entre sí, y se adhiere un cristal piezoeléctrico a una de ellas. Este genera una onda ultrasónica que se detecta tras múltiples rebotes entre las caras planas, y la atenuación de la señal sirve como medida de la absorción resonante. El cristal se ubica dentro de un imán capaz de proporcionar un campo estático correspondiente a la frecuencia aplicada. Para un electrón con espín 1/2 y un factor de desdoblamiento de los niveles de energía (el llamado factor de desdoblamiento espectroscópico g) g = 2, el campo requerido es de 33 a 33 000 Gauss para frecuencias de 100  MHz a 100  GHz. ^{[ 6 ]}