Mikrowellenspektroskopie - Microwave spectroscopy
Mikrowellenspektroskopie ist die Spektroskopiemethode , die Mikrowellen , dh elektromagnetische Strahlung bei GHz-Frequenzen, zur Untersuchung von Materie einsetzt.
Geschichte
Das Ammoniakmolekül NH 3 hat die Form einer Pyramide mit einer Höhe von 0,38 Å, wobei ein gleichseitiges Wasserstoffdreieck die Basis bildet. Der auf der Achse befindliche Stickstoff hat zwei äquivalente Gleichgewichtslagen oberhalb und unterhalb des Wasserstoffdreiecks, was die Möglichkeit erhöht, der Stickstoff tunnelt hin und her. 1932 Dennison et al. ... analysierten die Schwingungsenergie dieses Moleküls und kamen zu dem Schluss, dass die Schwingungsenergie durch das Vorhandensein dieser beiden Gleichgewichtslagen in Paare aufgespalten würde. Im nächsten Jahr beobachteten Wright und Randall ... eine Aufspaltung von 0,67 cm –1 in fernen Infrarotlinien, entsprechend ν = 20 GHz, dem von der Theorie vorhergesagten Wert.
1934 konstruierten Cleeton und Williams ... ein Gitter-Echelette-Spektrometer, um diese Aufspaltung direkt zu messen und begannen damit das Gebiet der Mikrowellenspektroskopie. Sie beobachteten eine etwas asymmetrische Absorptionslinie mit einem Maximum bei 24 GHz und einer vollen Breite bei halber Höhe von 12 GHz.
In der Molekularphysik
Auf dem Gebiet der Molekularphysik wird häufig die Mikrowellenspektroskopie verwendet, um die Rotation von Molekülen zu untersuchen.
In der Physik der kondensierten Materie
Auf dem Gebiet der Physik der kondensierten Materie wird Mikrowellenspektroskopie verwendet, um dynamische Phänomene von Ladungen oder Spins bei GHz-Frequenzen (entsprechend der Nanosekunden-Zeitskala) und Energieskalen im µeV-Bereich nachzuweisen. Passend zu diesen Energieskalen wird Mikrowellenspektroskopie an Festkörpern häufig in Abhängigkeit von Temperatur (bis hin zu kryogenen Bereichen von einigen K oder sogar darunter) und/oder Magnetfeld (mit Feldern bis zu mehreren T) durchgeführt. Die Spektroskopie betrachtet traditionell die frequenzabhängige Reaktion von Materialien, und bei der Untersuchung von Dielektrika deckt die Mikrowellenspektroskopie oft einen großen Frequenzbereich ab. Für leitfähige Proben sowie für Magnetresonanz sind dagegen Experimente mit fester Frequenz (mit einem hochempfindlichen Mikrowellenresonator ) üblich, aber auch frequenzabhängige Messungen sind möglich.
Untersuchung von Ladungen in der Physik der kondensierten Materie
Bei isolierenden Materialien (sowohl fest als auch flüssig) ist die Untersuchung der Ladungsdynamik mit Mikrowellen ein Teil der dielektrischen Spektroskopie . Unter den leitfähigen Materialien sind Supraleiter eine Materialklasse, die häufig mit Mikrowellenspektroskopie untersucht wird und Informationen über Eindringtiefe (bestimmt durch das supraleitende Kondensat), Energielücke (Einzelteilchenanregung von Cooper-Paaren ) und Quasiteilchendynamik liefert.
Eine weitere Materialklasse, die mit Mikrowellenspektroskopie bei tiefen Temperaturen untersucht wurde, sind schwere Fermionmetalle mit Drude-Relaxationsraten bei GHz-Frequenzen.
Sondieren von Spins in der Physik der kondensierten Materie
Auf Materie auftreffende Mikrowellen wechselwirken normalerweise sowohl mit Ladungen als auch mit Spins (über elektrische bzw. magnetische Feldkomponenten), wobei die Ladungsantwort typischerweise viel stärker als die Spinantwort ist. Im Fall der Magnetresonanz können Spins jedoch direkt mit Mikrowellen untersucht werden. Bei paramagnetischen Materialien wird diese Technik als Elektronenspinresonanz (ESR) und bei ferromagnetischen Materialien als ferromagnetische Resonanz (FMR) bezeichnet . Im paramagnetischen Fall untersucht ein solches Experiment die Zeeman-Aufspaltung mit einer linearen Beziehung zwischen dem statischen externen Magnetfeld und der Frequenz des Mikrowellen-Sondierungsfelds. Eine beliebte Kombination, wie sie in kommerziellen X-Band- ESR-Spektrometern implementiert ist, ist ungefähr 0,3 T (statisches Feld) und 10 GHz (Mikrowellenfrequenz) für ein typisches Material mit einem Elektronen-g-Faktor nahe 2.
Verweise
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