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Effet faraday des ondes centimétriques. phénomènes de résonance
Physica XVII, no 3-4
Maart-April 1951
EFFET FARADAY DES ONDES CENTIMETRIQUES. PHENOMENES DE RESONANCE p a r CH. R Y T E R et R. E X T E R M A N N Institut de Physique, Universit6 de Gen~ve, Gen~ve, Suisse
Synopsis Les ph6nom~nes d'absorption d'6nergie par r~sonance paramagn6tique sont li6s tL des variations de l'6tat de polarisation de l'onde hertzienne excitatrice. II est 6tudi6 ici la rotation du plan de polarisation d'une onde de 3 cm traversant un sel paramagn~tique, rotation qui d6pend de la partie r6elle de l'indice de r6fraction. Introduction. Les transitions induites p a r une onde ~lectromagnt6ique A h a u t e fr~quence e n t r e les sous-niveaux magn~tiques d ' u n a t o m e d o n n e n t lieu, au voisinage de la r~sonance entre la fr6quence de L a r m o r des dipoles magn~tiques et l'onde excitatrice, tt une dispersion anomale (avec absorption) de l'indice de r~fraction d ' u n e onde polaris~e circulairement et t o u r n a n t dans le sens du c o u r a n t magn~tisant, alors que l'indice d ' u n e onde t o u r n a n t en sens inverse n'est pas affect6 (L'inverse se p r o d u i t si le / a a e u r de L a n d d g du n i v e a u est n~gatifl). I1 s'ensuit q u ' u n e onde hertzienne polaris~e lin~airement et t r a v e r s a n t paraU~lement A un c h a m p magn~tique de valeur convenable, un espace c o n t e n a n t des ions paramagn~tiques, pr~sentera
une d i m i n u t i o n d'~nergie une polarisation elliptique oblique un d~phasage p a r r a p p o r t ~ l'onde incidente. I1 est fait abstraction des effets di~lectriques, qui ne pr~sentent pas de singularit~s. E n effet, une dissym~trie des indices de r~fraction de d e u x ondes coh~rentes polaris~es circulairement et t o u r n a n t en sens inverse - - 440
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engendre une rotation d'angle O du plan de polarisation, de teUe sorte que:
O
no)
oh x est l'6paisseur du milieu paramagn6tique, no; ~0 l'indice et la longueur de l'onde non perturb6e, n l'indice de l'onde perturb6e. La partie imaginaire de l'indicen au voisinage de la r6sonance n'a pas d'influence sur la rotation. La partie r6elle de n est plus petite ou plus grande que celle de n o selon que la fr6quence de l'onde est inf6rieure ou sup6rieure ~ la valeur de r6sonance. Si l'on choisit pour sens positif celui du courant magn6tisant, l'angle O sera positif en de~a de la r6sonance et n6gatif au dell, ~ fr6quence constante et pour un champ croissant. La partie imaginaire de l'indice de r6fraction n conduit ~ une absorption partielle d e l'onde tournant dans le sens du courant magn6tisant. I1 en r6sulte une polarisation elliptique du rayon 6mergent ; nous identifierons dans la suite l'inclinaison du grand axe de cette ellipse avec la rotation du plan de polarisation. L'observation directe et individuelle des parties r6elles et imaginaires de la moyenne des indices n et n o a fait l'objet d'un travail de R. L a c r o i x et R. E x t e r m a n n ~ ) . Nous allons nous attacher ici ~ l'6tude de la rotation du plan de polarisation en fonction du champ magn6tique et ~ la fr6quence de 9.400 Mc environ, pour le sulfate de manganese pulv6rulent MnSO4.4H20.
2. Dispositi/expdrimenta.l. La cellule de mesure proprement dite consiste en un tube guide circulaire contenant le sel ~ 6tudier. Une ligne coaxiale aliment6e par un klystron excite dans ce tube une onde du type transversal 61ectrique TEot, qui se comporte approximativement comme une onde plane polaris6e lin6airement. Apr~s avoir travers6 le sel paramagn6tique, 1'6nergie tL haute fr6quence est recueillie par deux antennes inclin6es ~ 45 ° de part et d'autre du plan de polarisation initial de l'onde. Ces antennes se prolongent chacune par une ligne coaxiale aboutissant ~ un petit 616ment de guide rectangulaire contenant un d6tecteur ~ cristal (fig. l). La tension recueillie aux bornes des cristaux est une mesure de l'6nergie transmise ~ chacune des antennes.
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CH. RYTER ET R. EXTERMANN
Ces tensions d~pendent de l'~nergie transmise R la partie droite de la cellule (fig. 1), de teUe sorte que leur somme n'exprime que l'~nergie totale recueillie par les antennes, et reste indiff~rente l'~tat de polarisation de l'onde ~lectromagn~tique. Par contre, la difference de ces tensions exprime l'inclinaison du plan de polarisation par rapport au plan de sym~trie du syst~me et ne d~pend pas
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B
Ct.tCTI(~.~IMArT ~
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8OmlNf. I)~MO~ULAT'mON Fig. l
Fig. 2
de l'~nergie totale. Les tensions fournies par les d~tecteurs sont amplifi~es s~par~ment dans deux canaux identiques. Un syst~me comprenant un ~tage inverseur de gain ~gal ~ 1 et deux m~langeurs (fig.2) permet d'obtenir deux tensions proportionnelles ~ la somme et ~ la ~diff~rence des tensions fournies par les d~tecteurs.
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EUes expriment donc, l'une la valeur de l'6nergie transmise par la cellule, l'autre la direction de la polarisation de l'onde 61ectromagn6tique. Ces deux tensions sont envoy6es simultan6ment sur les plaques de d6viation verticale d'un oscillographe par le canal d'un commutateur 61ectronique. Le champ magn6tique, parall~le A la direction de propagation de l'onde, est fourni par un 61ectroaimant comprenant une paire de bobines suppMmentaires permettant une modulation alternative du champ allant jusqu'A 2000 gauss environ. Une troisi&me bobine, dispos6 autour de la cellule, fournit .une tension proportionnelle g la d6riv6e du champ magn6tique par rapport au temps. Cette tension, conduite dans un circuit int6grateur, provoque apr~s amplification, la d6viation horizontale du spot de l'osciUographe. Celle-ci est donc exactement proportionnelle au champ magn6tique instant a n 6 appliqu6 au sel 6tudi6 *). Ainsi, les courbes d'absorption et de rotation en fonction du champ s'inscrivent sur l'6cran de l'oscillographe. Pour 6viter tout brouillage, la commutation et la modulation du champ sont synchronis6es sur le secteur ~ 5Oc/s. Tousles 61~ments des chaines d'amplification sont desappa-reils tt eourant continu. Seules quelques liaisons sont assur~es p a r d e s circuits RC. Les constantes de temps ont 6t~ largement dimensionn6es pour r6duire au minimum les d6formations et surtout le d6calage des pointes de r6sonance. L'~tat actuel du dispositif ne permet pas de donner la grandeur absolue des effets observes. Les 6talonnages n6cessitent un materiel dont nous ne disposons pas encore. On peut cependant ~valuer la grandeur de la rotation en inclinant les deux antennes r~ceptrices par rapport tt la polarisation initiale, et en mesurant le d6s6quilibre des tensions fournies par les d~tecteurs. Cette m6thode nous a permis de trouver l'adaptation la plus favorable ~ l'observation de la rotation. Elle est cependant inexacte en ce sens que les antennes sont l~g~rement coupl~es tt la ligne d'alimentation et que l'6valuation de ce couplage n'a pas encore 6t6 faite. 3. Rdsultats obtenus. La figure 3 montre les courbes d'absorption (en haut) et de rotation (en bas) pour le champ magn6tique s'6ta*) IIne faut cependant pas n6gliger le d6phase entre le champ e x t 6 r i e u r et la magn6tisation de l'echantillom
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CH.
RYTER
ET
R.
EXTERMANN
b l i s s a n t r 6 g u l i & r e m e n t j u s q u ' A 3500 gauss. L e s d e u x f i g u r e s c o r r e s pondent aux deux directions du champ. L a f i g u r e 4 m o n t r e les c o u r b e s o b t e n u e s en m o d u l a n t le c h a m p de 1000 g a u s s e n v i r o n de p a r t et d ' a u t r e de la v a l e u r de r 6 s o n a n c e ( r o t a t i o n en h a u t , a b s o r p t i o n en bas).
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I 1" W"""""" ............. Fig. 3
Fig. 4L ' a s p e c t des c o u r b e s o b t e n u e s est bi en celui q u e laisse p r 6 v o i r la t h 6 o r i e . L a s 6 p a r a t i o n des v a l e u r s p o u r l e s q u e l l e s O est e x t r 6 m e ( e n v i r o n 300 gauss) et l ' a s p e c t des c o u r b e s de r o t a t i o n et d ' a b s o r p t i o n s o n t en a c c o r d c o n v e n a b l e a v e c les m e s u r e s de L a c r o i x et E x t e r m a n n (loc. cit.). E n p a r t i c u l i e r , la c o i n c i d e n c e e n t r e la
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pointe de l'effet d'absorption et l'inflexion de la courbe de rotation, est parfaite dans la figure 3. Le 16ger d6calage vers la droite de la courbe de rotation de la figure 4 provient probablement du dispos~tif amplificat/eur et du d6phasage de la magn6tisation du,sel par rapport au champ ext6rieur. En effet, si ce d6calage avait une r6alit6 physique, il devrait se manifester sym6triquement pour les deux directions du champ magn6tique; or il a m~me grandeur et m~me sens dans les deux cas. I1 nous semble important de tenir compte des effets de polarisation circulaire et de rotation lors de l'observation des ph6nom~nes d'absorption magn6tique. I1 semble en particulier que ces effets aient perturb61esmesuresde Cummerow, Halliday et M o o r e 3 ) , comme r o n t relev6 L a c r o i x , Ryter et E x t e r m a n n . 4) Nous tenons en terminant ~ manifester route notre reconnaissance Monsieur A. K a s t 1 e r, dont rarticle paru dans les Compterendus de l'Acad6mie des Sciences (loc. cit.) nous a sugg6r6 la pr~sente 6tude et dont l'accueil aimable nous a 6t6 un encouragement pr6cieux. Universit6 de Gen~ve, Septembre 1950. Received 23-9-50.
R~F~RENCES I) K a s t l e r , A., 2) L a c r o i x , R. 3) C u m m e r o w , (1947) 1233. 4) L a c r o i x , R. (1950) 763.
C. R. Acad. Sci. Paris 21, tome 228 (1949) 1640. R.,et E x t e r m a l l n , R., Physica 17 (1951) 427. R. L., H a l l i d a y , D., and M o o r e , G. E., Phys. Rev. 7~ R., R y t e r ,
C h. E., et E x t e r m a n n ,
R., Phys. Rev., 8@
Maart-April 1951
EFFET FARADAY DES ONDES CENTIMETRIQUES. PHENOMENES DE RESONANCE p a r CH. R Y T E R et R. E X T E R M A N N Institut de Physique, Universit6 de Gen~ve, Gen~ve, Suisse
Synopsis Les ph6nom~nes d'absorption d'6nergie par r~sonance paramagn6tique sont li6s tL des variations de l'6tat de polarisation de l'onde hertzienne excitatrice. II est 6tudi6 ici la rotation du plan de polarisation d'une onde de 3 cm traversant un sel paramagn~tique, rotation qui d6pend de la partie r6elle de l'indice de r6fraction. Introduction. Les transitions induites p a r une onde ~lectromagnt6ique A h a u t e fr~quence e n t r e les sous-niveaux magn~tiques d ' u n a t o m e d o n n e n t lieu, au voisinage de la r~sonance entre la fr6quence de L a r m o r des dipoles magn~tiques et l'onde excitatrice, tt une dispersion anomale (avec absorption) de l'indice de r~fraction d ' u n e onde polaris~e circulairement et t o u r n a n t dans le sens du c o u r a n t magn~tisant, alors que l'indice d ' u n e onde t o u r n a n t en sens inverse n'est pas affect6 (L'inverse se p r o d u i t si le / a a e u r de L a n d d g du n i v e a u est n~gatifl). I1 s'ensuit q u ' u n e onde hertzienne polaris~e lin~airement et t r a v e r s a n t paraU~lement A un c h a m p magn~tique de valeur convenable, un espace c o n t e n a n t des ions paramagn~tiques, pr~sentera
une d i m i n u t i o n d'~nergie une polarisation elliptique oblique un d~phasage p a r r a p p o r t ~ l'onde incidente. I1 est fait abstraction des effets di~lectriques, qui ne pr~sentent pas de singularit~s. E n effet, une dissym~trie des indices de r~fraction de d e u x ondes coh~rentes polaris~es circulairement et t o u r n a n t en sens inverse - - 440
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engendre une rotation d'angle O du plan de polarisation, de teUe sorte que:
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oh x est l'6paisseur du milieu paramagn6tique, no; ~0 l'indice et la longueur de l'onde non perturb6e, n l'indice de l'onde perturb6e. La partie imaginaire de l'indicen au voisinage de la r6sonance n'a pas d'influence sur la rotation. La partie r6elle de n est plus petite ou plus grande que celle de n o selon que la fr6quence de l'onde est inf6rieure ou sup6rieure ~ la valeur de r6sonance. Si l'on choisit pour sens positif celui du courant magn6tisant, l'angle O sera positif en de~a de la r6sonance et n6gatif au dell, ~ fr6quence constante et pour un champ croissant. La partie imaginaire de l'indice de r6fraction n conduit ~ une absorption partielle d e l'onde tournant dans le sens du courant magn6tisant. I1 en r6sulte une polarisation elliptique du rayon 6mergent ; nous identifierons dans la suite l'inclinaison du grand axe de cette ellipse avec la rotation du plan de polarisation. L'observation directe et individuelle des parties r6elles et imaginaires de la moyenne des indices n et n o a fait l'objet d'un travail de R. L a c r o i x et R. E x t e r m a n n ~ ) . Nous allons nous attacher ici ~ l'6tude de la rotation du plan de polarisation en fonction du champ magn6tique et ~ la fr6quence de 9.400 Mc environ, pour le sulfate de manganese pulv6rulent MnSO4.4H20.
2. Dispositi/expdrimenta.l. La cellule de mesure proprement dite consiste en un tube guide circulaire contenant le sel ~ 6tudier. Une ligne coaxiale aliment6e par un klystron excite dans ce tube une onde du type transversal 61ectrique TEot, qui se comporte approximativement comme une onde plane polaris6e lin6airement. Apr~s avoir travers6 le sel paramagn6tique, 1'6nergie tL haute fr6quence est recueillie par deux antennes inclin6es ~ 45 ° de part et d'autre du plan de polarisation initial de l'onde. Ces antennes se prolongent chacune par une ligne coaxiale aboutissant ~ un petit 616ment de guide rectangulaire contenant un d6tecteur ~ cristal (fig. l). La tension recueillie aux bornes des cristaux est une mesure de l'6nergie transmise ~ chacune des antennes.
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CH. RYTER ET R. EXTERMANN
Ces tensions d~pendent de l'~nergie transmise R la partie droite de la cellule (fig. 1), de teUe sorte que leur somme n'exprime que l'~nergie totale recueillie par les antennes, et reste indiff~rente l'~tat de polarisation de l'onde ~lectromagn~tique. Par contre, la difference de ces tensions exprime l'inclinaison du plan de polarisation par rapport au plan de sym~trie du syst~me et ne d~pend pas
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pointe de l'effet d'absorption et l'inflexion de la courbe de rotation, est parfaite dans la figure 3. Le 16ger d6calage vers la droite de la courbe de rotation de la figure 4 provient probablement du dispos~tif amplificat/eur et du d6phasage de la magn6tisation du,sel par rapport au champ ext6rieur. En effet, si ce d6calage avait une r6alit6 physique, il devrait se manifester sym6triquement pour les deux directions du champ magn6tique; or il a m~me grandeur et m~me sens dans les deux cas. I1 nous semble important de tenir compte des effets de polarisation circulaire et de rotation lors de l'observation des ph6nom~nes d'absorption magn6tique. I1 semble en particulier que ces effets aient perturb61esmesuresde Cummerow, Halliday et M o o r e 3 ) , comme r o n t relev6 L a c r o i x , Ryter et E x t e r m a n n . 4) Nous tenons en terminant ~ manifester route notre reconnaissance Monsieur A. K a s t 1 e r, dont rarticle paru dans les Compterendus de l'Acad6mie des Sciences (loc. cit.) nous a sugg6r6 la pr~sente 6tude et dont l'accueil aimable nous a 6t6 un encouragement pr6cieux. Universit6 de Gen~ve, Septembre 1950. Received 23-9-50.
R~F~RENCES I) K a s t l e r , A., 2) L a c r o i x , R. 3) C u m m e r o w , (1947) 1233. 4) L a c r o i x , R. (1950) 763.
C. R. Acad. Sci. Paris 21, tome 228 (1949) 1640. R.,et E x t e r m a l l n , R., Physica 17 (1951) 427. R. L., H a l l i d a y , D., and M o o r e , G. E., Phys. Rev. 7~ R., R y t e r ,
C h. E., et E x t e r m a n n ,
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