J. Phys. France 40, 977-987 (1979)
DOI: 10.1051/jphys:019790040010097700

Studies of 3d4 ions in Al2O3 by cross-relaxation

C.A. Bates¹, P. Steggles^{1, 2}, A. Vasson³ et A.-M. Vasson<sup>3

1</sup>  Department of Physics, University of Nottingham, University Park, Nottingham NG7 2RD, England
²  Now at Government Communications Headquarters, Oakley, Priors Road, Cheltenham, Glos., England
³  Laboratoire de Radioélectricité et Théorie du Solide, Université de Clermont-Ferrand , B.P. 45, 63170 Aubière, France

Abstract
Measurements are reported of the spin-lattice relaxation time T 1m of the Cr3+ ion in Al2O3 in the presence of either Cr2+ or Mn3+ ions. Both resonant (RCR) and non-resonant (NCR) cross-relaxation processes are identified, the latter in zero magnetic field. By carefully choosing the frequency, RCR to Cr2+ and Mn3+ are clearly visible in a number of samples. Temperature-dependence measurements on the Cr2+-containing crystals give results in agreement with the theoretical calculations detailed here. The theory of NCR is developed and used to extract the energies of the first excited states from the Cr2+ and Mn3+ NCR data. The values obtained are the same as those reported from phonon spectroscopy measurements. Finally, the relation between measurements of T1m and theoretical calculations in any system is discussed in general and discrepancies are accounted for in terms of NCR to either trace impurities or clusters or both.

Résumé
Des mesures du temps de relaxation spin-réseau, T1m, de l'ion Cr3+ dans Al2O3 en présence d'ions Cr2+ ou Mn3+ sont effectuées. Les processus de cross-relaxation résonnante (CRR) et non résonnante (CRN) sont identifiés, les derniers étant étudiés en champ magnétique nul. Si la fréquence est bien choisie, la CRR avec Cr2+ et avec Mn3+ peut être mise clairement en évidence dans différents échantillons. Les mesures de la dépendance en température, dans le cas des cristaux contenant Cr2+ , donnent des résultats en accord avec les calculs théoriques. La théorie de la CRN est développée et utilisée pour déterminer les energies des premiers états excités à partir des courbes expérimentales de CRN avec Cr2+ et Mn3+ . Les valeurs obtenues sont les mêmes que celles données par spectroscopie de phonon. Enfin, la relation entre les mesures de T1m et les calculs théoriques dans un système est examinée dans le cas général et les désaccords sont expliqués par la CRN avec des impuretés ou des groupes d'ions ou avec les deux à la fois.

PACS
6180E - gamma-ray effects.
7170C - Crystal and ligand fields.
7630F - Iron group (3d) ions and impurities (Ti-Cu).

Key words
acoustic paramagnetic resonance -- chromium -- crystal field interactions -- electron spin lattice relaxation -- gamma ray effects -- manganese -- ruby