25/1968

/к zs.

LO

K F K I

25/1968

MEASUREMENT O F THE INTERNAL M AGNETIC FIELD BY PERTURBED ANGULAR CORRELATION M ETHODS

L. Keszthelyi

HUNGARIAN ACADEMY O F SCIENCES CENTRAL RESEARCH INSTITUTE FO R PHYSICS

BUDAPE8T

P r i n t e d i n t h e C e n t r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r P h y s i c s , B u d a p e s t K i a d j a a K ö n y v t á r - é s K i a d ó i O s z t á l y . O . v . : d r . F a r k a s I s t v á n n á S zak m ai l e k t o r : S z e n t p é t e r y I m r e N y e l v i l e k t o r : K o v ács J e n ö n é '

P é ld á n y s z á m : 156 Munkaszám: KFKI 3 9 5 4 B u d a p e s t , 1968. s z e p t e m b e r 2 3 . K é s z ü l t a KFKI h á z i s o k s z o r o s í t ó j á b a n . F . v . : Gyenes Im re

MEASUREMENT OF THE INTERNAL MAGNETIC FIELD BY PERTURBED ANGULAR CORRELATION METHODS

L . K e s z t h e l y i

C e n t r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r P h y s i c s , B u d a p e s t , Hungary

1 . I n t r o d u c t i o n

The i n t e r a c t i o n o f t h e n u c l e a r m a g n e t i c moments w i t h t h e m a g n e t i c f i e l d e x i s t i n g a t t h e n u c l e i / h y p e r f i n e i n t e r a c t i o n / o f f e r s many

p o s s i b i l i t i e s f o r t h e s t u d y o f t h e phenomenon o f m a g n e tis m . The m e th o d s f o r t h e i n v e s t i g a t i o n o f t h e h y p e r f i n e i n t e r a c t i o n c a n b e d i v i d e d i n t o two g r o u p s a c c o r d i n g t o t h e e x c i t a t i o n o f t h e n u c l e a r s t a t e s i n v o l v e d . ' The m a g n e t i c moments o f t h e g r o u n d s t a t e s o f n u c l e i a r e o f i n t e r e s t i n n u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c e ■and n e u t r o n s c a t t e r i n g m e th o d s / v i a t h e m a g n e t i c moment o f t h e n e u t r o n / , w h i l e t h o s e o f t h e e x c i t e d s t a t e s , d e c a y i n g by

^ - e m i s s i o n , i n M ö s s b a u e r - e f f e c t a s w e l l a s p e r t u r b e d a n g u l a r c o r r e l a t i o n and d i s t r i b u t i o n m e t h o d s . The l a t t e r t e c h n i q u e s a r e r a t h e r new and a l t h o u g h t h e y a r e n o t so g e n e r a l , th e y h a v e some f e a t u r e s w h ich make them p r e f e r a b l e i n some c a s e s . These new m e th o d s a r e now d e v e l o p i n g v e r y r a p i d l y a n d

a l r e a d y a l o t o f new i n f o r m a t i o n on m a g n e tis m h a s Been c o l l e c t e d by t h e i r u s e .

I n t h i s r e p o r t o n ly t h e p e r t u r b e d a n g u l a r c o r r e l a t i o n and d i s t r i b u t i o n method w i l l be d e a l t w i t h .

2 . Method o f p e r t u r b e d a n g u l a r c o r r e l a t i o n a n d d i s t r i b u t i o n . 2 . 1 . A n g u l a r c o r r e l a t i o n and d i s t r i b u t i o n

The - r a d i a t i o n s e m i t t e d by t h e n u c l e i h a v e c h a r a c t e r i s t i c a n i s o t r o p i c a n g u l a r d i s t r i b u t i o n r e l a t i v e t o t h e d i r e c t i o n o f t h e s p i n o f th e n u c l e i i n e x c i t e d s t a t e . The d i s t r i b u t i o n d e p e n d s on t h e s p i n s o f

2 -

t h e i n i t i a l e x c i t e d and f i n a l s t a t e s a n d on t h e m u l t i p o l a r i t y o f th e - r a d i a t i o n . T h is a n g u l a r d i s t r i b u t i o n c a n n o t be o b s e r v e d g e n e r a l l y b e c a u s e o f t h e random d i s t r i b u t i o n o f t h e d i r e c t i o n s o f n u c l e a r s p i n s i n r a d i o a c t i v e m a t e r i a l . I n t h e c a s e o f n u c l e a r p o l a r i z a t i o n t h e s p i n a n d m u l t i p o l a r i t y v a l u e s c a n be d e t e r m i n e d from t h e a n g u l a r d i s t r i b u t i o n s . The p o l a r i z a t i o n o f n u c l e i r e q u i r e s a r a t h e r d i f f i c u l t t e c h n i q u e , f o r t u n a t e l y t h e m e a su re m e n t o f a n g u l a r c o r r e l a t i o n g i v e s r e s u l t s o f s i m i l a r v a l u e . Two

% - r a d i a t i o n s e m i t t e d fro m a n u c l e u s i n c a s c a d e / s e e f i g . l * /

J i

J

h

F i g . l .

$ - r a y s e m i t t e d i n c a s c a d e

a r e m e a s u r e d w i t h two c o u n t e r s / f i g . 2 . /

.

c

e.

coincidence

F i g . 2 .

Boheme o f a p p a r a t u s t o m e a s u r e a n g u l a r c o r r e l a t i o n s

- 3 -

c o n n e c t e d i n c o i n c i d e n c e w i t h r e s o l v i n g t i m e T. The n u m b er o f c o i n c i d e n c e s d e p e n d s on t h e a n g l e j ) b e tw e e n bhe two c o u n t e r s s i n c e a f t e r t h e

o b s e r v a t i o n o f t h e f i r s t r a d i a t i o n t h e s p i n d i s t r i b u t i o n i s a l r e a d y n o t random, some d e g r e e o f p o l a r i z a t i o n i s o b t a i n e d and t h e s e c o n d r a d i a t i o n i s e m i b t e d from " p o l a r i z e d " n u c l e i w i t h t h e i r c h a r a c t e r i s t i c a sy m m etry . The a n g u l a r c o r r e l a t i o n f u n c t i o n d e p e n d s on t h e s p i n s o f t h e t h r e e n u c l e a r s t a t e s J k( J ( Jf an d on t h e m u l t i p o l a r i t y L, ) L ; o f t h e two

- r a d i a t i o n s . I t c a n be w r i t t e n i n t h e fo raA k-mcxx

W (-A) = Z A k "P^ (cos

^t

5>) ,

k-0

where -5b max = Min / 2 3 , 2L-^, 2 L2/ , t h e Pk ( c o s v h ) - s a r e th e L e g e n d r e - - p o l y n o m i a l s and t h e A - s a r e t h e c o e f f i c i e n t s o f t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n f u n c t i o n w h ic h c a n be c a l c u l a t e d from t a b l e s о i f J , an d 1_я a r e known. The e x p e r i m e n t a l r e s u l t s on a n g u l a r c o r r e l a t i o n s o f - r a y s from d i f f e r e n t n u c l e i c a n be fo u n d i n r e f x .

I f t h e e x c i t e d i n t e r m e d i a t e s t a t e i s o b t a i n e d i n n u c l e a r r e a c t i o n t h e n i n s t e a d o f t h e o b s e r v a t i o n o f t h e f i r s t if - r a d i a t i o n

" p o l a r i z a t i o n " c an be p r o d u c e d by t h e b o m b a rd in g p a r t i c l e . I n s u c h c a s e s t h e a n g u l a r d i s t r i b u t i o n o f t h e if - r a d i a t i o n t o t h e d i r e c t i o n o f t h e in c o m in g p a r t i c l e s i s t o be m e a s u r e d o n ly t o o b t a i n t h e same d a t a a s from t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n . The m o s t i m p o r t a n t n u c l e a r r e a c t i o n s fro m t h i s

p o i n t o f v ie w a r e t h e ( p ,

oc

) , (o c ,} f) r e a c t i o n s and t h e Coulomb e x c i t a t i o n s . 2 . 2 . P e r t u r b e d a n g u l a r c o r r e l a t i o n and d i s t r i b u t i o n

The m a g n e t i c d i p o l e a n d e l e c t r i c q u a d r u p o l e moments o f t h e e x c i t e d s t a t e i n t e r a c t w i t h m a g n e t i c f i e l d s and e l e c t r i c f i e l d g r a d i e n t s e x i s t i n g a t th o n u c l e i . As a r e s u l t o f t h i s t h e W(-9>) w i l l be c h a n g e d g e n e r a l l y i n a v e r y c o m p l i c a t e d m anner I . I n t h e c a s e s o f s t a t i c m a g n e tic and e l e c t r i c f i e l d s t h e f u n c t i o n s a r e r a t h e r s im p le a n d h av e o b v i o u s m e a n in g . I f t h e s t a t i c m a g n e tic f i e l d i s p e r p e n d i c u l a r t o t h e p l a n e o f

th e a n g u l a r c o r r e l a t i o n and d i s t r i b u t i o n , t h e n we h a v e

- I A k P k ( c o » ( A u . t ) ) , k-0

where Cü = 9 / f N lyfc, i s th e f r e q u e n c y o f L arm or p r e c e s s i o n , / з / ^ З i s t h e m a g n e t i c moment o f t h e i n t e r m e d i a t e s t a t e , / J - N i s t h e n u c l e a r m a g n e to n , H t h e m a g n e tic f i e l d / , t i s t h e tim e e l a p s e d from t h e e m i s s i o n o f t h e f i r s t

t o th e e m i s s i o n o f t h e s e c o n d - r a d i a t i o n . The e f f e c t o f t h e f i e l d H i s t h a t t h e n u c l e a r m a g n e tic moment, i . e . t h e s p i n o f t h e n u c l e u s i n th e e x c i t e d s t a t e r o t a t e s a r o u n d t h e f i e l d d i r e c t i o n w i t h f r e q u e n c y , to t h e s e c o n d 2f - r a d i a t i o n i s e m i t t e d i n tim e t from a n u c l e u s t h e d i r e c t i o n o f w h ic h h a s c h a n g e d w i t h a n a n g l e o f to t . T h e r e f o r e t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n and d i s t r i b u t i o n p a t t e r r o t a t e s .

Hie r o t a t i o n c a n be o b s e r v e d i n two d i f f e r e n t w ay s d e p e n d i n g on t h e l i f e t i m e o f t h e i n t e r m e d i a t e s t a t e s by t h e d i f f e r e n t i a l m e th o d , to i s m e a s u r e d d i r e c t l y . The number o f c o i n c i d e n c e s a s a f u n c t i o n o f t i s c o u n t e d a t f i x e d a n g l e . The r o t a t i o n o f t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n p a t t e r n a p p e a r s on the e x p o n e n t i a l d e c a y c u r v e ^ / f i g . J . / .

F i g . 3 .

The e f f e c t o f th e r o t a t i o n o f a n g u l a r c o r r e l a t i o n p a t t e r n on t h e d e c a y

c u r v e / d i f f e r e n t i a l /

~ 5 -

From t h i s c u r v e t h e v a l u e o f со can be e a s i l y u e t e n n i n e d . The m eth o d ‘i s l i m i t e d by t h e t e c h n i q u e o f ti m e m e a su re m e n t t o t h e s t a t e s o f l i f e t i m e b e tw e e n 10- ^ < X 10"" ^ s e c .

The i n t e g r a l m ethod i s u s e d f o r e x c i t e d s t a t e s o f X -= 10” ^ s e c . I n t h i s c a s e t h e i n t e g r a t e d num ber o f c o i n c i d e n c e s i á m e a s u r e d . A s i m p l e f u n c t i o n c an be o b t a i n e d f o r t h e d e s c r i p t i o n o f t h i s c a s e , i f / 1 / i s i n t e g r a t e d i n t i m e . I t i s u s e f u l , h o w ev er t o w r i t e t h e c o r r e l a t i o n f u n c t i o n i n t h e f o rm

W (^ , H ,t) “ Y. b k

C.05

к (Л - cot)

U-0 and t o i n t e g r a t e t h i s fo r m , t h e n

CTO knnrw

^ Ъ к

cosk

^(-\9)

-cot )

1 J0 k - 0

к т а к 'ö

- S - ... - .... f i k . . . . c o s

k

^(-\9>

- ooT

^{) .}

.fo V T M W Ü 1

The a n g u l a r c o r r e l a t i o n o r d i s t r i b u t i o n p a t t e r n r o t a t e s w i t h an a n g l e o f toT u n d e r t h e i n f l u e n c e o f t h e m a g n e t i c f i e l d . A r o t a t e d a n g u l a r c o r r e l a t i o n n a t t e r n ^ 5 i s t o b e s e e n i n f i g . 4 .

F i g . 4 .

R o t a t i o n o f t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n p a t t e r n / i n t e g r a l /

- 6 -

5» M easu rem e n t o f t h e i n t e r n a l m a g n e t i c f i e l d

A n g u l a r c o r r e l a t i o n m e a s u r e m e n ts p e r t u r b e d by i n t e r n a l magnetic- f i e l d were p e r f o r m e d f i r s t w i t h t h e aim t o o b t a i n d a t a on n u c l e a r g - f a c t o r s , I n t h e e a r l i e s t e x p e r i m e n t s o f t h i s k i n d ’ ' 7 t h e f i e l d a t F e ' n u c l e i i n Fe was u s e d t o p r o d u c e a n g u l a r r o t a t i o n . The' f i r s t e x p e r i m e n t t o o b s e r v e th e e f f e c t o f t h e m a g n e t i c f i e l d a t i m p u r i t y n u c l e i i n Fe was p e r f o r m e d by K e s z t h e l y i e t a l . 8 . F o llo w in g t h e s e f i r s t s t e p s many o t h e r g r o u p s s t a r t e d

t o u s e t h e i n t e r n a l m a g n e tic f i e l d a t i m p u r i t y n u c l e i t o m e a s u re g - f a c t o r s . The m a in a d v a n t a g e o f t h i s m eth o d í b t h e r a t h e r h i g h m a g n e t i c f i e l d which a l l o w s t o m e a su re g - f a c t o r o f s t a t e s w h ic h a r e o f v e r y s h o r t l i f e t i m e ,

-11 —12

10 - 1 0 s e o . I n t h e s e c a s e s t h e i n t e g r a t e d m ethod i s u s e d , t h e i n t e r n a l m a g n e tic f i e l d i e o r i e n t e d w i t h a s m a l l e x t e r n a l e l e c t r o m a g n e t p e r p e n d i c u l a r l y upw ards a n d downwards t o t h e p l a n e o f c o r r e l a t i o n .

The o t h e r f e a t u r e o f i n t e r e s t i n t h i s t y p e o f i n v e s t i g a t i o n s i s t h e s tu d y o f t h e i n t e r n a l f i e l d , i t s s y s t e m a t i c s a c c o r d i n g t o t h e i m p u r i t y and h o s t a t o m s , i t s d e p e n d e n c e on t h e c o n c e n t r a t i o n o f i m p u r i t i e s , on t h e t e m p e r a t u r e e t c .

«•?

T h ese s t u d i e s a r e s i m i l a r t o t h o s e made w i t h t h e M ö s s b a u e r e f f e c t . The a n g u l a r c o r r e l a t i o n method s u r p a s s e s , h o w e v e r, t h e M ö s s b a u e r m eth o d i n s e n s i t i v i t y a n d g e n e r a l i t y . The s e n s i t i v i t y o f b o t h m e th o d s i n t h e m e a su re m e n t o f H d e p e n d s on to T . I n t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n m e th o d i t i s t h e v a l u e w h ic h i s t o be m e a s u r e d a n d v a l u e s down t o coT S' 0 , 0 1 can be c o v e r e d . I n t h e M ö s s b a u e r m eth o d t h e Z emann s p l i t t i n g Л E 2 i s t h e m e a s u r a b l e q u a n t i t y a n d А Е ^ у / Г - с о Т , w h ere Г i s t h e t h e o r e t i c a l

l i n e - w i d t h . A s m a l l b r o a d e n i n g o f t h e l i n e - w i d t h ca n b e a t t r i b u t e d t o v e r y d i f f e r e n t c a u s e s t h e r e f o r e go 1 * 1 i s t h e r e a s o n a b l e r e g i o n , w h ere t h e m a g n e tic f i e l d I s m e a s u r a b l e w i t h M ö s s b a u e r e f f e c t .

Much more n u c l e i a r e s u i t a b l e f o r p e r t u r b e d a n g u l a r c o r r e l a t i o n e x p e r i m e n t s t h a n f o r M ö s s b a u e r - e f f e c t , an d w i t h t h e new m e th o d s s u c h a s t o e x c i t e n u c l e i w i t h n u c l e a r r e a c t i o n o r w i t h C o u lo m b - e x c ita tio n * ^ » ***

o r t o i m p l a n t t h e n u c l e i t o be i n v e s t i g a t e d i n t o f e r r o m a g n e t i c l a t t i c e s w i t h e l e c t r o m a g n e t i c i o n s e p a r a t o r * '* ' p r a c t i c a l l y a l l o f t h e i s o t o p e s can be i n v e s t i g a t e d .

'Phis m ethod i s v e r y u s e f u l f o r t h e s t u d y o f t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h e i n t e r n a l f i e l d , s i n c e t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n i t s e l f d o e e n o t d e p e n d on t h e t e m p e r a t u r e i n c o n t r a s t w i t h o t h e r m eth o d s s u i t a b l e f o r t h e s t u d y o f i n t e r n a l m a g n e t i c f i e l d / в . g , n u c l e a r p o l a r i z a t i o n 12 , m e a su re m en t o f s p e c i f i c h e a t ^ and M ö s s b a u e r e f f e c t / .

We t h i n k t h a t t h e p e r t u r b e d a n g u l a r c o r r e l a t i o n and d i s t r i b u t i o n m ethod i s j u s t a t t h e i n i t i a l s t a g e o f i t s a p p l i c a t i o n i n s o l i d s t a t e p h y s i c s . I n t h e f o l l o w i n g we s h o u l d l i k e t o p r e s e n t some i n t e r e s t i n g new r e s u l t s o b t a i n e d w i t h t h i s method and t o o u t l i n e some f u r t h e r p o s s i b i l i t i e s o f i t s u s e f u l n e s s ,

4 . T e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h e i n t e r n a l m a g n e tic f i e l d

The f i r s t s t u d y on m a g n e tis m w i t h t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n method w as p e r f o r m e d "by C a s p a r ! e t a l . 14 . They h av e m e a s u r e d t h e t e m p e r a t u r e

d e p e n d e n c e o f a n g u l a r c o r r e l a t i o n s i n r a r e e a r t h i r o n g a r n e t s and o b s e r v e d l a r g e e f f e c t s on t h e asy m m etry o f t h e c o r r e l a t i o n a t t h e N é e l p o i n t w i t h o u t e x t e r n a l o r i e n t i n g f i e l d a n d a t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f c o t w i t h e x t e r n a l o r i e n t i n g f i e l d . T h e i r r e s u l t s on ^ ^ S m n u c l e i f r o m t h e d e c a y o f

embedded i n g a r n e t a r e r e p r o d u c e d i n f i g . 5 . a n d 6 .

F i g . 5 .

Change o f t h e a n i s o t r o p y a t t h e N é e l p o i n t i n Eu IG.

8

F i g . 6 .

R o t a t i o n o f t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n p a t t e r n i n Eu IG i n e x t e r n a l o r i e n t i n g f i e l d

F i g . 7 .

R o t a t i o n a n g l e - v s t e m p e r a t u r e i n t h e v i c i n i t y o f c o m p e n s a tio n

p o i n t i n SdIG.

The m ost i m p o r t a n t r e s u l t o f t h i s i n v e s t i g a t i o n was t h e e x p e r i m e n t a l c o n f i r m a t i o n o f a s h o r t e l e c t r o n i c

- 1 2

r e l a x a t i o n tim e o f ~ J 1 0 s e c o f t h e r a r e e a r t h i o n s i n g a r n e t s , w h ic h was e x t r a c t e d fro m t h e a n i s o t r o p y d a t a o f t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n .

Some o t h e r e f f o r t s have b e e n made i n t h i s d i r e c t i o n 1^ ’ ^ . I t i s

i n t e r e s t i n g t o c o n s i d e r t h e m e a su re m e n t o f K o i c k i e t a l ' who i n v e s t i g a t e d t h e i n t e r n a l f i e l d i n GdIG i n th e v i c i n i t y o f th e c o m p e n s a t i o n p o i n t . The

r a d i o a c t i v e m a t e r i a l i n t h i s g a r n e t was ^ ^ T m fro m t h e d e c a y o f ^ ^ L u , and t h e i n t e g r a l r o t a t i o n o f t h e 178-130 keV c a s c a d e was o b s e r v e d . The r e s u l t s a r e shown i n f i g . 7 . I t c a n be s e e n t h a t t h e s i g n o f t h e i n t e r n a l

f i e l d c h a n g e s r a p i d l y a t t h e c o m p e n s a tio n t e m p e r a t u r e , w h i l e t h e a b s o l u t e v a l u e o f th e f i e l d r e m a in s u n c h a n g e d . The t r a n s i t i o n t a k e s p l a c e i n an

~ 10°C t e m p e r a t u r e i n t e r v a l and h a s a h y s t e r i s w h ic h d e p e n d s on t h e e x t e r n a l o r i e n t i n g f i e l d .

I n th e c a s e o f i m p u r i t y ato m s i n f e r r o m a g n e t i c l a t t i c e s t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e r e f l e c t s t h e e f f e c t o f l o c a l moments o b s e r v e d f i r s t a t Mn ato m s i n Fe by NMR m e th o d 10 and by n e u t r o n s c a t t e r i n g 1^ . The f i r s t , t e n t a t i v e e x p e r i m e n t i n t h i s d i r e c t i o n was p e r f o r m e d i n o u r l a b o r a t o r y 20 , i n w h ic h t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h e m a g n e tic f i e l d a t P t n u c l e i i n Fe was m e a s u r e d a t t h r e e p o i h t s / f i g . 8 . / .

F i g . 8 .

c o t v s t e m p e r a t u r e i n F e - P t a l l o y a t P t n u c l e i

From t h i s i t c o u l d b e e s t a b l i s h e d o n ly t h a t t h e f i e l d c o i n c i d e s w i t h t h e v a l u e s e x p e c te d fro m t h e m a g n e t i z a t i o n c u r v e a t h i g h t e m p e r a t u r e s t o o c l o s e t o t h e c u r i e p o i n t . The n e c e s s i t y o f a c c u r a t e m e a s u re m e n t was n o t a p p a r e n t a t t h i s t i m e .

I n t h e c a s e o f Pd i n F e , J o h a n s s o n e t a l 21 fo u n d a s m a l l d i p i n f i e l d v a l u e s a t Pd n u c l e i / f i g . 9 « /* a much g r e a t e r e f f e c t was o b s e r v e d

НГГ) И (4.2)

10 -

I n t e r n a l f i e l d v s t e m p e r a t u r e i n FePd a l l o y a t P t n u c l e i

by S h i r l e y e t a l pp a t Ru n u c l e i i n Ni / f i g . 1 0 . / . T h ese m e a s u r e m e n ts w ere e v a l u a t e d i n te rm s o f t h e th e o r y o f J a c e a r i n o e t a l 1Я , i . e . t h e r e i s

l o c a l i z e d moment a t t h e i n p u r i t y a t o m s . I n t h e i n t e r p r e t a t i o n o f t h e c a s e o f Ru n u c l e i a l s o t h e n o n l o c a l c o n d u c t i o n - e l e c t r o n p o l a r i z a t i o n h a d t o be t a k e n i n t o a c c o u n t .

I n a r e c e n t m e a su re m e n t D eu tch e t a l ^ i m p l a n t e d r a d i o a c t i v e ^ ^ Y b n u c l e i i n t o i r o n f o i l w i t h i s o t o p e s e p a r a t o r p r o d u c i n g t h u s v e r y s m a l l c o n c e n t r a t i o n s o f i m p u r i t y atoms i n

t h e l a t t i c e .

They m e a s u r e d t h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n c e o f t h e a n i s o t r o p y and r o t a t i o n o f t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n i n a f t e r t h e f b - d e c a y and f o u n d s i m i l a r r e s u l t s t o t h o s e F i g . 10.

I n t e r n a l f i e l d v s t e m p e r a t u r e i n NiRn a l l o y a t Rn n u c l e i

V

г

1

- 11

o b t a i n e d from t h e g a r n e t s m e n tio n e d a b o v e . The e l e c t r o n i c r e l a x a t i o n tim e was fo u n d t o be 2 . 1 0 —12 s e c , an d t h e c u r v e f o r i n t e r n a l m a g n e t i c f i e l d a t Tm n u c l e i v s t e m p e r a t u r e showed t h e c h a r a c t e r i s t i c e f f e c t s o f l o c a l i z e d moments / f i g . 1 1 . / .

x

T/ Tc

F i g . 1 1 .

I n t e r n a l f i e l d v s t e m p e r a t u r e a t Tto n u c l e i • im p l a n t e d i n t o Fe

4 . Time d e p e n d e n c e o f t h e i n t e r n a l m a g n e t i c f i e l d

'The l a r g e s c a l e o f l i f e t i m e s f o r d i f f e r e n t e x c i t e d s t a t e s o p e n s an e x t e n d e d s p h e r e f o r t h e r e s e a r c h o f t h e t i m e d e p e n d e n c e o f t h e h y p e r f i n e f i e l d . These s t u d i e s have b e e n made up t o now w i t h t h e u s e o f Coulomb- - e x c i t a t i o n . I n t h e e x p e r i m e n t s o f G r o d z i n s e t a l 2^ * 2 ^ d i f f e r e n t e x c i t e d n u c l e i w ere r e c o i l e d w i t h e n e r g y o f ss 1 0 - 2 0 MeV i n t o Fe l a t t i c e by t h e b o m b a rd in g ^ 0 i o n s . The e x c i t e d s t a t e s h a d l i f e t i m e s o f 10""^■*'-10“’^2 s e c .

I t t u r n e d o u t from t h e a n a l y s i s o f t h e d a t a t h a t t h e i n t e r n a l f i e l d d e p e n d s on t h e l i f e t i m e o f

t h e e x c i t e d s t a t e s and on t h e a t o m ic num ber o f t h e i m p u r i t y atom s / s e e f i g . 1 2 . / . The s l o w i n g down tim e o f t h e r e c o i l e d i o n s was Time an d a to m ic num ber d e p e n d e n c e o f t h e i n t e r n a l

f i e l d a t n u c l e i r e c o i l e d i n t o Fe l a t t i c e by h i g h e n e r g y 0 i o n s

F i g . 12.

12

« 1 p s e c , t h e f i e l d a t t h e n u c l e i r e a c h e d i n t . d s s h o r t tim e i n t e r v a l v e r y h i g h v a l u e s a s com pared w i t h t h e s t a t i c f i e l d .

To u n d e r s t a n d t h e phenom ena, t h e r o t a t i o n o f t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n p a t t e r n s was m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f t h e v e l o c i t y o f t h e i o n s r e c o i l e d i n t o t h e Fe l a t t i c e . The v e l o c i t y o f t h e i o h s was v a r i e d by c h a n g i n g t h e t h i c k n e s s o f t h e m a g n e t i c a l l y n e u t r a l Cu m o d e r a t o r m ounted b e t w e e n t h e Fe f o i l and t h e t a r g e t m a t e r i a l . The d e p e n d e n c e o f t h e v a l u e o f coT on t h e Cu t h i c k n e s s i n t h e c a s e o f Cd n u c l e u s i s t o be s e e n i n F i g . 13.

O . O I 2

0 . 0 0 0

0 . 0 0 4

F i g . 1 3 .

D ependence o f u>T on th e t h i c k n e s s o f Cu b e tw ee n Fe a n d t a r g e t

The v a l u e o f ooT o b t a i n e d fro m s t a t i c e x p e r i m e n t , e . g . from t h e r o t a t i o n o f a n g u l a r c o r r e l a t i o n p a t t e r n , i s p o s i t i v e , t h e v a l u e g o t fro m Coulomb- - e x c i t a t i o n i s a t f i r s t n e g a t i v e , th e n a p p r o a c h e s t h e s t a t i c v a l u e and d r o p s t o z e r o « T h i s shows t h a t t h e tim e d e p e n d e n t i n t e r n a l f i e l d d i s a p p e a r s a t a d e f i n i t e v e l o c i t y c u t a p p r o a c h e s t h e s t a t i c v a l u e and t h e r e i s n a t u r a l l y , no r o t a t i o n i f t h e r e c o i l e d i o n s s t o p i n Cu. The r e s u l t s c a n b e u n d e r s t o o d i f one assu m es t h a t t h e r e c o i l e d i o n s m o v in g t h r o u g h t h e Fe l a t t i c e p i c k up p o l a r i z e d e l e c t r o n s c l o s e t o t h e end o f t h e i r r a n g e where t h e v e l o c i t y i s e g u a l t o t h e v e l o c i t y o f t h e p o l a r i z e d d e l e c t r o n s .

The p o s s i b i l i t i e s t o s t u d y t h e d i f f e r e n t e l e m e n t s a r e much more

e x t e n d e d i n t h e c a s e o f n u c l e a r r e a c t i o n s t h a n i n t h e c a s e o f r a d i o a c t i v i t y . T h e r e f o r e , i t i s v e r y i m p o r t a n t t o know i n s u c h c a s e s w h e t h e r t h e m e a su re d f i e l d i s s t a t i c , o r s u b j e c t t o some ti m e d e p e n d e n t p e r t u r b a t i o n ? I t i s i m p o r t a n t t o v e r i f y t h e a b s e n c e o f t i m e - e f f e c t s i f t h e v e l o c i t y o f t h e r e c o i l e d i o n s i s s m a l l e r t h a n t h a t o f d e l e c t r o n s . Our g ro u p h a s made some

Cd on Cu on Fe

- t — i

: i - ....

Л

h

-^*

---1---1--- 1--- 1______I_____ I I ____ i___

0 0 0.2 0.4 0 6 0.0 1.0 1.2 14 16

- 13 -

e x p e r i m e n t s i n t h i s d i r e c t i o n P6 .

The l i m i t i n g e n e r g y o f th e r e c o i l e d i o n s a c c o r d i n g t o t h e e s t i m a t i o n o f G r o d z in s 24 i s ~ 350 keV /F e i o n s m oving t h r o u g h F e / an d d e p e n d s l i n e a r l y on mass num b er. We h av e made e x p e r i m e n t s w i t h V a n d P t atoma

a l l o y e d w i t h Fe and bom barded them w i t h 2 , 5 MeV p r o t o n s . The r e c o i l e n e r g i e s a r e s m a l l e r t h a n t h e l i m i t i n g v a l u e s / 200 keV i n t h e c a s e o f V i n Fe an d ~ 50 keV i n t h e c a s e o f P t i n F e / .

I n t h e c a s e o f V i n F e , a l l o y s o f 1 , 2 and 4 , 5 % V c o n t e n t w ere s t u d i e d , t h e i n t e r n a l f i e l d was f o u n d t o be w i t h i n t h e e x p e r i m e n t a l ■e r r o r i n d e p e n d e n t o f c o n c e n t r a t i o n / s e e f i g . 1 4 . / ,

F i g . 1 4 .

D ependence o f coT on t h e V c o n c e n t r a t i o n i n FeV a l l o y

a n d a g r e e i n g w i t h t h e s t a t i c v a l u e 28 .

The f i e l d v a l u e s a t P t n u c l e i w ere s t u d i e d i n a FeQ ^ P t Q a l l o y . The f i e l d was fo u n d t o be a b o u t 20 % lo w e r t h a n t h e s t a t i c f i e l d i n d i l u t e / 1 % P t c o n t e n t / a l l o y . T h i s d e c r e a s e c a n be t h e c o n s e q u e n c e o f t h e h i g h e r P t c o n t e n t and o f t h e s t r u c t u r e o f t h e m a t e r i a l . The s i t u a t i o n i s n o t v e r y c l e a r i n t h i s a l l o y . D i f f e r e n t a u t h o r s o b t a i n e d d i f f e r e n t f i e l d v a l u e s . The v a l u e o f B e n c z e r - K o l l e r e t a l . a g r e e s w i t h o u r v a l u e ^ , t h a t

o f Buyrn e t a l i s ~ 20 % h i g h e r . The m a g n e t i z a t i o n c u r v e m e a s u r e d on o u r s am p le showed an a b r u p t d r o p a t 400 °G on h e a t i n g a n d became a g a i n m a g n e tic

ЗА

a t 80 °G on C o o l i n g . I t seems t o be w o r th w h i l e t o i n v e s t i g a t e t h i s , a l l o y “ more t h o r o u g h l y .

6 . D i s c u s s i o n

The ab o v e d i s c u s s e d i n v e s t i g a t i o n s a r e o n ly r e p r e s e n t a t i v e e x a m p le s t o show t h e e f f i c i e n c y o f t h e m e th o d . We h a v e s e e n t h a t t h i s t e c h n i q u e h a s g i v e n - among o t h e r s - new i n f o r m a t i o n a b o u t t h e l o c a l i z e d m a g n e t i c moments and t h e ti m e d e p e n d e n c e o f t h e h y p e r f i n e f i e l d . I n t h i s p a r t we s h o u l d l i k e t o d i s c u s s t h e f u r t h e r a d v a n t a g e s o f t h e m e th o d .

a / L o c a l i z e d moments: t h e a n g u l a r c o r r e l a t i o n and d i s t r i b u t i o n method / ACDM/ p e r m i t s t o e v a l u a t e d t h e i n t e r n a l f i e l d a t t h e i m p u r i t y n u c l e i and

t h e r e l a x a t i o n tim e o f t h e l o c a l i z e d moment. E s s e n t i a l l y , t h e same d a t a a r e o b t a i n a b l e by t h e i n c o h e r e n t n e u t r o n s c a t t e r i n g method /NSM/, / f o r e x a m p le , t h e 2 . 1 0 -1 2 p s e c r e l a x a t i o n ti m e o f Tm moments m e a su re d by ACDM a g r e e s w e l l w i t h t h e v a l u e c a l c u l a t e d from t h e w i d t h o f t h e E r l e v e l d e t e r m i n e d by NSM ~C = 1 , 9 . 1 0 “ 12 s e c ^ V . The ACDM m eth o d i s g e n e r a l l y n o t l i m i t e d by c o n c e n t r a t i o n and n e u t r o n p h y s i c a l p r o b l e m s , i t works i n p r i n c i p l e a t any c o n c e n t r a t i o n f r o m . t r a c e c o n c e n t r a t i o n s up t o h i g h c o n c e n t r a t i o n s .

b / Time e f f e c t s : t h e v e r y s h o r t l i f e - t i m e s o f e x c i t e d n u c l e a r s t a t e s

—11 —12

/ 1 0 - 1 0 s e c / a l l o w t o m e a s u r e s u c h f a s t c h a n g e s o f m a g n e t i c f i e l d s w h ic h h a v e b e e n i n a c c e s s i b l e a s y e t by any known m e th o d . The l o n g e r

— A

l i f e t i m e s / 1 0 “ - 1 0 s e c / open a new r e g i o n o f r e l a x a t i o n m e a s u r e m e n t s s i m i l a r t o t h a t c o v e r e d by NMR m e th o d s . T h i s r e g i o n i s f a r fro m b e i n g e x p l o r e d by ACDM -ä, s i n c e o n ly a few e x p e r i m e n t s h av e b e e n p e r f o r m e d t o d a t e ^ 2 ’ ^ . T h is r e g i o n i s w e l l s u i t a b l e f o r w ork w i t h p a r t i c l e a c c e l e r a t o r s ,

c / T r a n s i t i o n - e f f e c t s : w i t h a p p r o p r i a t e l y c h o s e n n u c l e a r r e a c t i o n s i t would b e p o s s i b l e t o i n v e s t i g a t e t h e b u i l d - u p o f m a g n e t i c f i e l d s a t th e b o u n d a r i e s o f m a g n e tic m a t e r i a l . I f t h e - r a d i a t i o n o r i g i n a t e s fro m a s h a r p r e s o n a n c e h a v i n g a w i d t h o f some eV, t h e n by i n c r e a s i n g t h e e n e r g y o f t h e b o m b a rd in g p a r t i c l e s i t c a n be o b s e r v e d t h a t t h e r e a c t i o n t a k e s p l a c e s f i r s t a t th e s u r f a c e , and t h e n i t i s g o i n g d e e p e r a n d d e e p e r i n t o t h e m a t e r i a l . The m e a s u r e d ooT v a l u e r e v e a l s th e mode o f t r a n s i t i o n from z e r o f i e l d t o f u l l f i e l d v a l u e s . A lso t h e e f f e c t s o f d o m ain w a l l s c a n be s t u d i e d by t h i s m e th o d . The r e s o l u t i o n o f t h e method d e p e n d s on t h e s t a b i l i t y

—8 —6

o f a c c e l e r a t o r s . The b a s t r e s o l u t i o n v a l u e s c a n be 10 - 1 0 cm t h i k n e s s e s .

R e f e r e n c e s

#

1 H . F r a u e n f e l d e r and R . M . S t e f f e n , i n у S p e c t r o s c o p y , e d , К , S i e g b a h n , N o r t h - H o l l a n d , Amsterdam 1965 p . 997

2 M .F e r e n t z and N .R o s e n z w e ig , i n e r - f b - X -R ay S p e c t r o s c o p y , e d . К .S i e g h a h n , N o r t h - H o l l a n d , Amsterdam 1965 P« 1687

3 B .S .D z e le p o w , L . K . P e k e r and

B .S .D z e le p o w , L . K . P e k e r and V . O . S e r g e i e v , Decay Schemes o f R a d i o a c t i v e N u c l e i , P u b l i s h i n g House " N a u k a " , Moscow, L e n i n g r a d , 1963* 1966.

4 A . J . K ö r n e r , D i s s e r t a t i o n , U n i v e r s i t ä t Hamburg, 1963*

5 L .K e s z t h e l y i , I , B e r k e s , I . D é z s i and L .P ó c s N u c l . P h y s . 2 i * 6 6 2 , 1965 6 F . R . M e t z g e r , N u c l . P h y s . 2 £ , 6 1 2 , 1961

7 H .A p p el and W.Mayer, N u c l . P h y s . 4^5, 393* 1963

8 L .K e s z t h e l y i , I . B e r k e s , I . D é z s i , M.M o ln á r an d L . P ó c s , P h y s . L e t t e r s 8 , 1 9 5 , 1964

9 L . G r o d z i n s , H y p e r f i n e S t r u c t u i ’e and N u c l e a r R a d i a t i o n s N o r t h - H o l l a n d , A msterdam , 1968 p . 607'.

10 L . K e s z t h e l y i , I . D e m e t e r , Z . S z ő k e f a l v i - N a g y and L .V a r g a , H i p e r f i n e

S t r u c t u r e and N u c l e a r R a d i a t i o n s , N o r t h - H o l l a n d , A m sterdam , 1968 p . 192 11 P . G . E . R e i d , M . S o t t , N . J . S t o n e , D . S p a a n j a r d , and H . B e r n a s , H y p e r f i n e

S t r u c t u r e and N u c l e a r R a d i a t i o n s , N o r t h - H o l l a n d , A msterdam , 1968 p . 719 12 B .N .S a m o il o v , V . V . S k l a r e v s k i i an d V .D .G o ro b c h e n k o , J . E x p . T h e o r . P h y s .

USSR 4 1 , 1783, 1961

13 A .V ,K ogan, V .D .K u lk o v , L . P . N i k i t i n , N .W .R ein o v , I . A . S o k o l o v and M . F . S t e l ’ makh, J . E x p . T h e o r . P h y s . USSR 4 ^ , 1 , 1963

14 M . E . C a s p a r ! , S . F r a n k e l , and G.T.Wood, P h y s .R e v . 1 2 7 . 1 5 1 9 , 1962

15 S . K o i c k i , A . K o i c k i , S.T.W ood, an d M . E . C a s p a r i , P h y s .R e v . 1 4 2 , 148, 1962 16 A .K o ic k i and S . K o i c k i , i n H y p e r f i n e S t r u c t u r e and N u c l e a r R a d i a t i o n s ,

N o r t h - H o l l a n d , A m sterdam , 1968 p . 525

17 S . K o i c k i an d A .K o ic k i i n H y p e r f i n e S t r u c t u r e and

N u c l e a r R a d i a t i o n s , N o r t h - H o l l a n d , Amstei'dam, 1968 p . 467

18 V . J a c c a r i n o , L . R . W alk er and G.К . W ertheim , P h y s .R e v . L e t t e r s 1 ^ , 7 5 2 , 1964 19 N.Kroó and L . B a t a , P h y s i c s L e t t e r s , 24A, 2 2 , 1967

20 I . D é z a i , L .K e s z t h e l y i , Á .K is s an d L . P ó c s , K F K I.K ö zi. 14^ 7 7 , 1966 21 К . J o h a n s s o n , E . K a r l s s o n , L . O . N o r l i n , P .N .T a n d o n , an d H . C . J a i n , i n

H y p e r f i n e S t r u c t u r e an d N u c l e a r R a d i a t i o n , N o r t h - H o l l a n d , Amsterdam, 1968 p . 471

22 P . A . S h i r l e y , S .S .R o s e n b lu m , and E . M a t t h i a s , H y p e r f i n e S t r u c t u r e and N u c l e a r R a d i a t i o n s . N o r t h - H o l l a n d , A msterdam , 1968 p . 481

23 B . I . D e u t c h , K . Bonde N i e l s e n , an d H .B e r n a s , P h y s i c s L e t t e r s , 27B. 2 0 9 , 1968 24 L . G r o d z i n s , i n H y p e r f i n e S t r u c t u r e and N u c l e a r R a d i a t i o n s , N o r t h - H o l l a n d ,

Amsterdam, 1968 p . 607

25 R . R . B o r c h e r s , B . H e r s k i n d , J . D . B r o n s o n , L . G r o d z i n s , K . K a l i s h , and D .E . M u r n ic k , P h y s . Rev. L e t t e r s 2 0 , 4 2 4 , 1968

26 L . K e s z t h e l y i , I . D e m e te r, Z . S z ő k e f a l v i - N a g y , L .V a rg a an d Z .Z á m o r i, N u c l e a r P h y s i c s , i n p r e s s

27 L . V a r g a , I , D em eter, L . K e s z t h e l y i , Z . S z ő k e f a l v i - N a g y , an d Z .Z á m o r i, P h y s . Rev. i n p r e s s

28 Y .K oi an d A . T s u j i m u r a , J . P h y s . S o c . J a p a n , l g , 1493, 1964

29 N . B e n c z e r - K o l l e r , J . R . H a r i s , and G .M .R o th b e rg , P h y s .R e v . 1 4 0 , B547, 1965 30 A .B u y r n , L . G r o d z i n s , N .A .Blum , and J . W u lff , P h y s . Rev. 1 6 3 , 2 8 6 , 1967 31 N.Kroó an d L . P á l , KFKI p r e p r i n t , 17 /1 9 6 7

32 K .S u g im o to , H y p e r f i n e S t r u c t u r e and N u c l e a r R a d i a t i o n s , N o r t h - H o l l a n d , A msterdam , 1968 p . 859

33

L . P f e i f f e r , J . C . W e l l s , and L.M adansky, H y p e r f i n e S t r u c t u r e and N u c l e a r R a d i a t i o n s , N o r t h - H o l l a n d , A msterdam , 1968 p . 871