Спин-фононное взаимодействие электронных и ядерных спинов атомов твёрдого тела с упругими колебаниями кристаллической решётки. Последним в квантовомеханическом представлении соответствует поле фононов. Колебания решётки, тепловые или вызванные внешней упругой волной, периодически изменяют расстояния между атомами, что приводит к модуляции, как внутрикристаллического поля, так и взаимодействий между спинами электронов и ядер, то есть к спин-спиновому взаимодействию.

Спин-фононное взаимодействие обуславливает релаксационные процессы, приводящие к установлению теплового равновесия между системой спинов и решёткой. Оно также оказывает влияние на положение и ширину спиновых уровней, приводя к сдвигу фактора спектрометрического расщепления и изменению констант тонкого и сверхтонкого спиновых расщеплений. Спин-фононное взаимодействие ответственно за поглощение энергии акустических колебаний при акустическом парамагнитном резонансе (АПР).

Известно несколько механизмов спин-фононного взаимодействия. Для электронных спинов парамагнитных ионов в слабоконцентрированных парамагнетиках, где взаимодействие между парамагнитными ионами можно пренебречь, наиболее существенным является электрический механизм, обусловленный модуляцией внутрикристаллического электрического поля упругими колебаниями решётки. Осциллирующее поле нарушает орбитальное движение электрона и посредством спин-орбитального взаимодействия вызывает переориентацию спинов парамагнитных ионов. Этот процесс связан с ванфлековским парамагнетизмом, обусловленным деформацией электронной оболочки иона. Механизм Ван Флека характерен для примесных ионов группы Fe и редких земель в диэлектрических и полупроводниковых кристаллах (Fe⁺² в Al₂O₃ и MgO; Cr⁺² в GaAs). Спин-фононное взаимодействие возникает в результате модуляции зеемановской энергии или взаимодействия электронной намагниченности с магнитным полем, обусловленным ядерным магнитным моментом.

В конденсированных парамагнетиках спин-фононное взаимодействие может осуществляться за счет модуляции колебаниями решётки магнитного дипольного или обменного взаимодействий между спинами, поскольку они зависят от расстояния между ионами. В случае диэлектриков этот механизм может конкурировать с ванфлековским только для ионов с большим магнитным моментом. В магнитоупорядоченных веществах основную роль в спин-фононном взаимодействии играет модуляция упругими колебаниями решётки обменного взаимодействия между спинами. В свою очередь, коллективные колебания спинов (спиновые волны), распространяясь по кристаллу, вызывают смещение ионов решётки, что приводит к возникновению связанных магнитоупругих колебаний. Их интенсивность возрастает при совпадении частот спиновой и упругой волн с одинаковым волновым вектором.
Для атомов, ядра которых обладают квадрупольным моментом, существенно спин-орбитальному взаимодействию, обусловленное связью переменных градиентов внутрикристаллического поля с квадрупольными моментами ядер. Квадрупольный механизм спин-фононного взаимодействия присущ диэлектрикам, слаболегированным полупроводникам и ряду металлов.
В проводящих средах (металлах, сильнолегированных полупроводниках) с большой концентрацией электронов проводимости помимо электрического механизма спин-орбитального взаимодействия существует механизм Ольфера-Рубина, связанный с возникновением дополнительного переменного магнитного поля, обусловленного взаимодействием колебаний решётки с электронами проводимости. При этом переменное магнитное поле модулирует дипольное взаимодействие между магнитными моментами ядер. В металлах для ядер с большим квадрупольным моментом преобладающую роль играет квадрупольный механизм спин-орбитального взаимодействия, а для ядер с малым квадрупольным моментом могут одновременно участвовать два механизма – квадрупольный и дипольный.

С понижением температуры Т от 300 К до 14 К из-за вымораживания носителей вклад дипольного механизма значительно уменьшается. При квадрупольном механизме возможны переходы между спиновыми уровнями с изменением магнитного квантового числа на 2, а при дипольном механизме только на 1.

Интенсивность спин-орбитального взаимодействия характеризуется элементами тензора четвёртого ранга, связывающими изменение энергии системы спинов с деформацией решётки. Значения элементов тензора спин-орбитально взаимодействия зависят от конкретных механизмов спин-орбитального взаимодействия и отражают локальную симметрию внутрикристаллического поля вблизи данного иона. Элементы тензора спин-орбитального взаимодействия могут быть определены экспериментально по сдвигу линии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) ядерного магнитного резонанса, а также под действием одноосного давления; по поглощению энергии при АПР; по акустическому насыщению линий ЭПР; по времени спин-решёточной релаксации. Экспериментально определение констант спин-орбитального взаимодействия и сопоставление их с теоретическими значениями, соответствующими тем или иным механизмам спин-орбитально взаимодействия, позволяют получить информацию о структуре и величине внутрикристаллических полей и о динамике спин-решёточных взаимодействий.

Акустический парамагнитный резонанс электронный (АПР), избирательное поглощение энергии упругих волн (фононов) определения частоты в парамагнитных кристаллах, помещённых в постоянное магнитное поле. АПР тесно связан с обычным электронным парамагнитным резонансом (ЭПР). Передача акустической энергии парамагнитных частицам при АПР происходит посредством спин-фононного взаимодействия, которое осуществляется путём модуляции акустическими колебаниями внутрикристаллических полей (электрических или магнитных). Возбуждение в парамагнитном кристалле, помещённом во внешнее магнитное поле акустических колебаний с частотой v, вызывает квантовый переходы электронов между магнитными подуровнями. В реальных кристаллах излучение или поглощение фононов происходит в конечной полосе частот, поэтому наблюдается резонансная линия с характерной для неё шириной и формой, которая зависит как от природы парамагнитного иона, так и от характера внутрикристаллических полей и может существенно отличаться от ширины и формы линии ЭПР. Экспериментально АПР можно наблюдать методом акустического насыщения линий ЭПР и методом дополнительного затухания звука. В первом случае возбуждение в исследуемом кристалле акустических колебаний с той же частотой, на которой наблюдается ЭПР, приводит к уменьшению сигнала ЭПР, то есть к насыщению резонансной линии; во втором – меняют напряжённость магнитного поля, и при его значении, соответствующем резонансному, измеряют дополнительное поглощение звука. Тепловое движение атомов, дефекты кристаллической структуры и ряд других факторов по-разному влияют на форму линий АПР и ЭПР, поэтому из спектров АПР можно получить дополнительную информацию о симметрии локального внутрикристаллических поля парамагнитного кристалла, оценить влияние нарушения симметрии кристаллического поля в результате наличия дислокаций и случайных деформаций решётки, непосредственно измерить параметры спин-фононного взаимодействия. АПР используется также для исследования металлов и полупроводников, в которых применение метода ЭПР затруднено из-за скин-эффекта.