La espectroscopia de microondas es el método espectroscópico 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 por encima y por debajo del triángulo de hidrógenos, y esto plantea la posibilidad de que el nitrógeno se desplace hacia arriba y hacia abajo, a través del plano de los átomos de H. En 1932 Dennison et al. ... analizaron la energía vibracional de esta molécula y concluyeron que la energía vibracional se dividiría en pares por la presencia de estas dos posiciones de equilibrio. El año siguiente Wright y Randall observaron ... una división de 0,67 cm –1 en las líneas de 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 a 24 GHz y un ancho completo 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 las 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 (que corresponden a escalas de tiempo de nanosegundos) y escalas de energía en el régimen μeV. En función de estas escalas de energía, la espectroscopia de microondas en sólidos se realiza a menudo en función de la temperatura (hasta regímenes criogénicos de unos pocos K o incluso inferiores) [3] y/o del campo magnético (con campos de hasta varias T). La espectroscopia tradicionalmente considera la respuesta dependiente de la frecuencia de los materiales, y en el estudio de dieléctricos la espectroscopia de microondas a menudo cubre un amplio rango de frecuencias. Por el contrario, para muestras conductoras, así como para resonancia magnética, los experimentos a una frecuencia fija son comunes (utilizando un resonador de microondas de alta sensibilidad ), [4] pero también son posibles las mediciones dependientes de la frecuencia. [5]
En el caso de los materiales aislantes (tanto sólidos como líquidos), [6] el estudio de la dinámica de cargas con microondas es una parte de la espectroscopia dieléctrica . Entre los materiales conductores, los superconductores son una clase de materiales que se estudian a menudo con espectroscopia de microondas, y que proporcionan información sobre la profundidad de penetración (determinada por el condensado superconductor), [4] [7] la brecha de energía (excitación de pares de Cooper de una sola partícula ) y la dinámica de las cuasipartículas. [8]
Otra clase de materiales que se ha estudiado mediante espectroscopia de microondas a bajas temperaturas son los metales fermiónicos pesados con tasas de relajación de 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 campo eléctrico y magnético, respectivamente), con la respuesta de carga típicamente mucho más fuerte que la respuesta de espín. Pero en el caso de la resonancia magnética, los espines pueden ser investigados directamente usando microondas. Para materiales paramagnéticos, esta técnica se llama resonancia de espín electrónico (ESR) y para materiales ferromagnéticos resonancia ferromagnética (FMR) . [9] En el caso paramagnético, un experimento de este tipo investiga la división de Zeeman , con una relación lineal entre el campo magnético externo estático y la frecuencia del campo de microondas de investigación. Una combinación popular, tal como se implementa en espectrómetros ESR de banda X comerciales , es aproximadamente 0,3 T (campo estático) y 10 GHz (frecuencia de microondas) para un material típico con factor g electrónico cercano a 2.