MÖSSBAUER AND OPTICAL ABSORPTION EXPERIMENT ON ¹⁵¹Eu ATOMS ISOLATED IN AN ARGON MATRIX

Résumé
Des expériences d'absorption Mössbauer et optique ont été faites à environ 6 K sur des atomes de ¹⁵¹Eu (configuration 4f⁷ 6s^2-8S_7/2 isolés dans de l'argon à une concentration atomique d'environ 0,5 %. Le spectre Mössbauer est un spectre paramagnétique non résolu avec un déplacement isomérique S = - (5,80 ± 0,05) mm/s par rapport à la source de ¹⁵¹Sm₂O₃. L'interaction magnétique hyperfine peut être décrite par l'Hamiltonien H_mhf = A.Î.J et est donc totalement déterminé par les valeurs A = - 20.05 MHz et J = 7/2 de l'ion libre [1]. En fait le spectre calculé au H_mhf est très semblable au spectre mesuré. Les différences qui subsistent proviennent probablement d'effets de relaxation et/ou de l'entourage non cubique des atomes d'Eu. Cette dernière possibilité est confirmée par les données optiques et conduit à une légère interaction quadrupolaire ainsi qu'à une faible anisotropie de A. La valeur trouvée ici pour S concorde bien avec la calibration basée sur les valeurs de ρ(0) calculées par Coulthard [2]. Elle est en désaccord important avec les prédictions faites à partir des déplacements chimiques optiques [3]. Le facteur f à 6 K pour Eu dans Ar est 0,18 ± 0,04 ce qui conduit à une température de Debye effective θ_eff = 22 ± 4 K. Cette valeur est plus faible que celle prévue par le spectre de phonons de l'argon [4] si l'on tient compte des différences de masse entre les atomes Eu et Ar. Le spectre d'absorption optique de la transition 4f⁷ 6s² → 4f⁶ 5d 6s² des atomes d'Eu isolés montre que la dégénérescence d'ordre (2J + 1)/2 des états excités est complètement levée par le champ cristallin. Ceci signifie que la symétrie des sites d'Eu dans la matrice d'Argon n'est pas cubique. Les raies d'absorption présentent une structure fine. Chaque raie zero-phonon (largeur de raie à mi-hauteur ≤ 10 cm^-1) est accompagnée de bandes latérales à excitation de phonons. Elles proviennent de mode de résonance dans le spectre de phonons de Ar : Eu tels que ħω₁ = (12 ±2) cm^-1, ħω₂ = (26 ± 2) cm^-1, ħω₃ = (46 ± 4) cm^-1. Les modes ħω₁ et ħω₂ de faible énergie expliquent la valeur étonnamment basse du facteur f obtenue dans les expériences Mössbauer.

Abstract
Mössbauer and optical absorption experiments have been performed at ~ 6 K on ¹⁵¹Eu atoms (configuration 4f⁷ 6s^2-8S_7/2) isolated in argon with an atomic concentration of ~ 0.5 %. The Mössbauer spectrum consists of an unresolved paramagnetic hyperfine (hf) pattern with an isomer shift of S = - (5.80 ± 0.05) mm/s with respect to the ¹⁵¹Sm₂O₃ source. The magnetic hf interaction can be described by the Hamiltonian H_mhf = A.Î.J and is thus fully determined by the free ion values of A = - 20.05 MHz [1] and J = 7/2. The spectrum calculated with the help of H_mhf indeed closely resembles the measured spectrum. Remaining differences are thought to arise from relaxation effects and/or the non-cubic surrounding of the Eu atoms. The latter is deduced from the optical data and will lead to a small quadrupole interaction as well as a small anisotropy of A. The value of S found here fits well into the calibration scheme based on values of ρ(0) as calculated by Coulthard [2]. It disagrees seriously with the predictions derived from optical isotope shift measurements [3]. The f-factor at 6 K for the Eu in Ar is 0.18 ± 0.04 which corresponds to an effective Debye temperature of θ_eff = 22 ± 4 K. This number is lower than the value expected from the Ar phonon spectrum [4] when the different masses of the Eu and Ar atoms are taken into account. The optical absorption spectrum of the transition 4f⁷ 6s² → 4f⁶5d 6s² of the isolated Eu atoms shows that the (2J + 1)/2-fold degeneracy of the excited states is completely lifted by the crystalline electric field. This means, the symmetry of the Eu sites in the Ar matrix is not cubic. The absorption lines show fine structure. Each zero phonon line (FWHM ≤ 10 cm^-1) is accompanied by phonon side bands. They arise from resonance mode in the Ar : Eu phonon spectrum with ħω₁ = (12 ± 2) cm^-1, ħω₂ = (26 ± 2) cm^-1 and ħω₃ = (46 ± 4) cm^-1. The low lying modes ħω₁ and ħω₂ explain the unexpectedly low f-factor in the Mössbauer experiment.