Numéro
J. Phys. France
Volume 39, Numéro 3, mars 1978
Page(s) 315 - 329
DOI https://doi.org/10.1051/jphys:01978003903031500
J. Phys. France 39, 315-329 (1978)
DOI: 10.1051/jphys:01978003903031500

Cross-relaxation in nickel doped rubies

C.A. Bates1, P. Steggles1, A. Gavaix2, A.-M. Vasson2 et A. Vasson2

1  Department of Physics, University of Nottingham, University Park, Nottingham NG7 2RD, England
2  Laboratoire de Radioélectricité et Théorie du Solide, Université de Clermont , B.P. 45, 63170 Aubière, France


Abstract
Measurements are reported of the spin-lattice relaxation time T 1m of the Cr3+ ion in Al2O 3 when Ni3+ and Ni2+ ions are also present in very small concentrations. Well-defined reductions in T1 m are correlated with resonant cross-relaxation between Cr 3+ and Ni3+ and between Cr3+ and Ni2+. Non-resonant cross-relaxation (NCR) processes are also studied in zero magnetic field and an exponential dependence on temperature is observed. A detailed analysis enables us to suppose that those Ni3+ ions for which the two lower doublets are split by ~ 6 cm -1 dominate the NCR process. Also reported is the observation of a reduction in T1m when a fast relaxing Ni3+ or Ni2+ ion is resonant with à Cr3+ transition other than that being monitored. Cross-relaxation processes involving three spins - one Cr3+ and two Ni or vice versa - are also discussed. In samples with less than ~ 0.03 at. % Cr, cross-relaxation within the Cr3+ system itself is only important when two or three spins are involved, one of which involves a transition at the monitored frequency. A three-spin Cr3+ process is observed in which all transition frequencies are different.


Résumé
Des mesures du temps de relaxation spin-réseau, T1m de l'ion Cr3+ dans Al2O3 sont rapportées dans le cas où des ions Ni3+ et Ni2+ sont présents en très faibles concentrations. Des réductions bien définies de T1m sont attribuées à la relaxation croisée résonnante entre Cr3+ et Ni3+ et entre Cr3+ et Ni2 +. Les processus de relaxation croisée non résonnante (CRN) sont aussi étudiés en champ magnétique nul et une dépendance exponentielle en température est observée. Une analyse détaillée permet de supposer que les ions Ni3+ pour lesquels les deux doublets les plus bas sont séparés par ~ 6 cm-1 dominent le processus de CRN. Nous montrons aussi que l'on observe une réduction du temps de relaxation, T1 m, mesuré pour Cr3+ dans Al2O3 quand un ion Ni3+ ou Ni2+, qui relaxe vite, résonne avec une transition de Cr3+ différente de celle étudiée. Des processus de relaxation croisée faisant intervenir trois spins - un Cr3+ et deux Ni ou inversement - sont aussi envisagés. Dans les échantillons de concentrations inférieures à 300 x 10-6 ion Cr 3+/ion Al3+ la relaxation croisée à l'intérieur du système Cr3+ lui-même est importante seulement quand deux ou trois spins sont mis en jeu, l'un d'eux faisant intervenir une transition à la fréquence utilisée pour les mesures. Un processus à trois spins pour lequel toutes les fréquences de transition sont différentes est observé.

PACS
7630F - Iron group (3d) ions and impurities (Ti-Cu).

Key words
paramagnetic resonance of iron group ions and impurities -- ruby -- spin lattice relaxation