Angular momentum detection of non-linear phenomena in paramagnetic resonance^*

Scuola Normale Superiore. Piazza dei Cavalieri, 56.100 Pisa (Italia) Gruppo Nazionale Struttura Della Materia. Istituto di Fisica. Piazza Toricelli 2, 56.100 Pisa (Italia), France

Abstract

The angular momentum detection of magnetic resonance is examined. Its features are compared to the Einsteinde Haas experiment and its sensitivity is considered with respect to the conventional techniques of the magnetic resonance. Experimental apparatus is presented in detail. Magnetic resonance is examined theoretically and experimentally when low static and strong r. f. fields are applied. Modified Bloch equations are solved at different ordens of approximation to obtain Bloch-Siegert shift, many-photon transitions and superposition effects of resonances at positive and negative static fields. Many-photon transitions by irradiating the sample with two r. f. fields of different frequencies are examined. These transitions are studied theoretically by the Schrodinger equation solution and by the Bloch equations. The appearance of a transversal static magnetization in the magnetic resonance is considered in detail; this non-linear phenomenon is explained solving the modified Bloch equations and by simmetry considerations. Experiments performed on DPPH by the angular momentum detection technique show an excellent agreement with the theoretical results.

Résumé

Dans ce travail, on a examiné la détection du moment cinétique dans la résonance magnétique. Les caractéristiques de cette méthode ont été comparées aux expériences sur l'effet Einstein-de Haas et la sensibilité théorique a été examinée en relation aux techniques usuelles de la spectroscopie à radiofréquence. L'observation du moment cinétique a été utilisée pour l'étude de la résonance magnétique lorsque les intensités du champ magnétique statique et du champ à radio-fréquence sont du même ordre. On a résolu les équations de Bloch modifiées aux différents ordres d'approximation pour obtenir les suivantes informations : le déplacement Bloch-Siegert de la raie de résonance, les transitions à plusieurs quanta, les effets de superposition des résonances aux champs magnétiques statiques positifs et négatifs. On a aussi observé expérimentalement les transitions à plusieurs quanta avec deux champs à radio-fréquence des différentes fréquences et l'on a calculé théoriquement le couple qui agit sur l'échantillon par la solution de l'équation de Schrödinger et par les équations de Bloch. Enfin on a étudié la magnétisation transversale statique produite dans la résonance magnétique. Ce phénomène non linéaire a été expliqué par la solution des équations de Bloch modifiées et par des considérations de symétrie. Les expériences effectuées sur le DPPH par la détection du moment cinétique ont confirmées complètement les résultats théoriques.