J. Phys. France 46, 965-978 (1985)
DOI: 10.1051/jphys:01985004606096500

Transient E.S.R. absorption in Eu0.4Sr0.6S, in the paramagnetic phase, near the spin-glass temperature : the exchange reservoir

A. Deville, C. Blanchard et A. Landi

Laboratoire d'Electronique des Milieux Condenses , Aix-Marseille I, 13397 Marseille Cedex 13, France

Abstract
In the insulating spin-glass material EU0.4Sr0.6S, the transient E.S.R. absorption following a strong r.f. pulse has been studied at X band for T ≳ Tg. The signal was found to depend strongly upon the experimental conditions (energy of the r.f. pulse, value of the driving magnetic field). At 4.2 K and with a weak perturbing r.f. energy (1 μJ), the recovery was exponential (τ ~ 40 ms). By coupling continuous saturation experiments with pulse experiments made at different values of the driving field, we have shown that the observed signal corresponds to a transient shift of the absorption line, reflecting a rise of the spin temperature. This signal is finally the dynamical manifestation of a behaviour already met in steady E.S.R. experiments. The experimental results are discussed within the Bloembergen-Wang exchange reservoir model; it is found that, due to the dipolar interactions, the r.f. energy absorbed by the Zeeman reservoir is rapidly (10-10 s) transferred to the exchange reservoir. The energy is then given up to the phonons through the modulation of the exchange coupling by the phonons (direct process). The heat capacity of the spins mainly comes from the exchange energy, and overwhelms that of the phonons up to 15 K; this leads to a phonon-bottleneck : the phonons rapidly reach the spin temperature at the end of the pulse, then the temperature of the whole spin-phonon system slowly relaxes towards the bath temperature.

Résumé
Nous avons étudié dans le verre de spin isolant Eu0,4Sr 0,6S, en bande X et pour T ≳ Tg, le signal transitoire de résonance électronique consécutif à une impulsion intense de champ hyperfréquence. Ce signal dépend fortement des conditions expérimentales (énergie de l'impulsion hyperfréquence, valeur du champ magnétique directeur). A 4,2 K, pour une énergie perturbatrice faible (1 μJ), le retour à l'équilibre est exponentiel (τ ~ 40 ms). En associant des expériences de saturation progressive de la raie de résonance à des expériences impulsionnelles effectuées à différentes valeurs du champ directeur, nous avons montré que le signal observé correspond à un déplacement transitoire de la raie d'absorption, associé à une élévation de la température de spin. Ce signal est finalement la manifestation dynamique d'un comportement déjà observé par résonance électronique en régime permanent. Nous discutons les résultats expérimentaux à l'aide du modèle du réservoir d'échange, de Bloembergen et Wang. Nous trouvons que, grâce aux interactions dipolaires, l'énergie hyperfréquence absorbée par le réservoir Zeeman est rapidement (10-10 s) transférée au réservoir d'échange. Cette énergie est ensuite cédée aux phonons grâce à la modulation du couplage d'echange par les phonons (processus direct). La capacité calorifique des spins provient essentiellement de l'énergie d'échange et, jusqu'a 15 K, l'emporte sur celle des phonons, ce qui conduit à l'existence d'un goulot de phonons : à la fin de l'impulsion, les phonons prennent rapidement la température des spins, puis la température de l'ensemble du système spins-phonons relaxe lentement vers celle du bain.

PACS
7540 - Critical-point effects, specific heats, short-range order.
7630K - Rare-earth ions and impurities.

Key words
europium compounds -- exchange interactions electron -- paramagnetic resonance of rare earth ions and impurities -- specific heat of solids -- spin systems -- strontium compounds