La espectroscopia de microondas es el método de espectroscopia que emplea microondas , es decir, radiación electromagnética en frecuencias de GHz, para el estudio de la materia.
La molécula de amoniaco NH 3 tiene forma de pirámide de 0,38 Å de altura, con un triángulo equilátero de hidrógenos formando la base. El nitrógeno situado en el eje tiene dos posiciones de equilibrio equivalentes encima y debajo del triángulo de hidrógenos, lo que plantea la posibilidad de el nitrógeno hace un túnel hacia arriba y hacia abajo, a través del plano de los átomos de H. En 1932, Dennison et al. ... analizó la energía vibratoria de esta molécula y concluyó que la energía vibratoria se dividiría en pares por la presencia de estas dos posiciones de equilibrio. Al año siguiente, Wright y Randall observaron... una división de 0,67 cm –1 en las líneas del infrarrojo lejano, correspondiente a una frecuencia de 20 GHz, el valor predicho por la teoría. En 1934, Cleeton y Williams ... construyeron un espectrómetro de rejilla Echelle para medir esta división directamente, iniciando así el campo de la espectroscopia de microondas. Observaron una línea de absorción algo asimétrica con un máximo en 24 GHz y un ancho total a media altura de 12 GHz. [1]
En el campo de la física molecular , la espectroscopia de microondas se utiliza comúnmente para investigar la rotación de moléculas. [2]
En el campo de la física de la materia condensada , la espectroscopia de microondas se utiliza para detectar fenómenos dinámicos de cargas o espines en frecuencias de GHz (correspondientes a escalas de tiempo de nanosegundos) y escalas de energía en el régimen de µeV. Siguiendo estas escalas de energía, la espectroscopia de microondas en sólidos a menudo se realiza en función de la temperatura (hasta regímenes criogénicos de unos pocos K o incluso menos) [3] y/o del campo magnético (con campos de hasta varios T). La espectroscopia tradicionalmente considera la respuesta de los materiales dependiente de la frecuencia y, en el estudio de dieléctricos, la espectroscopia de microondas a menudo cubre un amplio rango de frecuencias. Por el contrario, tanto para muestras conductoras como para resonancia magnética, son habituales los experimentos con una frecuencia fija (utilizando un resonador de microondas de alta sensibilidad ), [4] pero también son posibles mediciones dependientes de la frecuencia. [5]
Para materiales aislantes (tanto sólidos como líquidos), [6] sondear la dinámica de carga con microondas es parte de la espectroscopia dieléctrica . Entre los materiales conductores, los superconductores son una clase de material que a menudo se estudia con espectroscopía de microondas, brindando información sobre la profundidad de penetración (gobernada por el condensado superconductor), [4] [7] brecha de energía (excitación de una sola partícula de pares de Cooper ) y dinámica de cuasipartículas. [8]
Otra clase de material que se ha estudiado mediante espectroscopía de microondas a bajas temperaturas son los metales fermiones pesados con tasas de relajación Drude en frecuencias de GHz. [5]
Las microondas que inciden sobre la materia suelen interactuar con cargas así como con espines (a través de componentes de campos eléctricos y magnéticos, respectivamente), siendo la respuesta de carga típicamente mucho más fuerte que la respuesta de espín. Pero en el caso de la resonancia magnética, los espines se pueden probar directamente utilizando microondas. Para materiales paramagnéticos, esta técnica se denomina resonancia de espín electrónico (ESR) y para materiales ferromagnéticos resonancia ferromagnética (FMR) . [9] En el caso paramagnético, tal experimento prueba la división de Zeeman , con una relación lineal entre el campo magnético externo estático y la frecuencia del campo de microondas de prueba. Una combinación popular, implementada en los espectrómetros ESR de banda X comerciales , es aproximadamente 0,3 T (campo estático) y 10 GHz (frecuencia de microondas) para un material típico con un factor g de electrones cercano a 2.