Микроволновая спектроскопия — метод спектроскопии , использующий микроволны , т.е. электромагнитное излучение на частотах ГГц, для изучения вещества.
Молекула аммиака NH 3 имеет форму пирамиды высотой 0,38 Å, основание которой образует равносторонний треугольник из водородов. Расположенный на оси азот имеет два эквивалентных положения равновесия выше и ниже треугольника из водородов, и это повышает возможность туннелирования азота вверх и вниз через плоскость атомов H. В 1932 году Деннисон и др. ... проанализировали колебательную энергию этой молекулы и пришли к выводу, что колебательная энергия будет разделена на пары при наличии этих двух положений равновесия. В следующем году Райт и Рэндалл наблюдали ... расщепление 0,67 см -1 в дальних инфракрасных линиях, что соответствует частоте 20 ГГц, значению, предсказанному теорией. В 1934 году Клитон и Уильямс ... сконструировали решеточный эшелле-спектрометр для непосредственного измерения этого расщепления, тем самым положив начало области микроволновой спектроскопии. Они наблюдали несколько асимметричную линию поглощения с максимумом на частоте 24 ГГц и полной шириной на половине высоты 12 ГГц. [1]
В области молекулярной физики микроволновая спектроскопия обычно используется для исследования вращения молекул. [2]
В области физики конденсированного состояния микроволновая спектроскопия используется для обнаружения динамических явлений зарядов или спинов на частотах ГГц (соответствующих наносекундным временным масштабам) и энергетических масштабах в режиме мкэВ. Соответствуя этим энергетическим масштабам, микроволновая спектроскопия на твердых телах часто выполняется как функция температуры (вплоть до криогенных режимов в несколько К или даже ниже) [3] и/или магнитного поля (с полями до нескольких Тл). Спектроскопия традиционно рассматривает частотно-зависимый отклик материалов, а при изучении диэлектриков микроволновая спектроскопия часто охватывает большой диапазон частот. Напротив, для проводящих образцов, а также для магнитного резонанса, эксперименты на фиксированной частоте являются обычными (с использованием высокочувствительного микроволнового резонатора ), [4], но частотно-зависимые измерения также возможны. [5]
Для изоляционных материалов (как твердых, так и жидких) [6] зондирование динамики заряда с помощью микроволн является частью диэлектрической спектроскопии . Среди проводящих материалов сверхпроводники являются классом материалов, который часто изучается с помощью микроволновой спектроскопии, предоставляя информацию о глубине проникновения (регулируемой сверхпроводящим конденсатом), [4] [7] энергетической щели (одночастичное возбуждение куперовских пар ) и динамике квазичастиц. [8]
Другим классом материалов, который изучался с помощью микроволновой спектроскопии при низких температурах, являются тяжелые фермионные металлы с друдевскими скоростями релаксации на частотах ГГц. [5]
Микроволны, падающие на вещество, обычно взаимодействуют с зарядами, а также со спинами (через электрические и магнитные компоненты поля соответственно), причем отклик заряда обычно намного сильнее, чем отклик спина. Но в случае магнитного резонанса спины можно напрямую исследовать с помощью микроволн. Для парамагнитных материалов этот метод называется электронным спиновым резонансом (ЭСР), а для ферромагнитных материалов — ферромагнитным резонансом (ФМР) . [9] В парамагнитном случае такой эксперимент исследует расщепление Зеемана с линейной зависимостью между статическим внешним магнитным полем и частотой зондирующего микроволнового поля. Популярная комбинация, реализованная в коммерческих ЭПР-спектрометрах X-диапазона , составляет приблизительно 0,3 Тл (статическое поле) и 10 ГГц (частота микроволн) для типичного материала с g-фактором электронов, близким к 2.