Магнитная релаксация – процесс установления термодинамического равновесия в системе магнитных моментов вещества. Как правило, магнитная релаксация — сложный, многоступенчатый процесс; его характеризуют различными временами релаксации.

Магнитные свойства веществ (за исключением диамагнетиков) обусловлены микроскопическими магнитными моментами, которые обычно связаны со спином электронов и ядер и образуют т. н. магнитную, или спиновую, систему. Энергия спиновой системы складывается из её взаимодействия с внешним магнитным полем Н (зеемановская энергия), внутрикристаллическим полем и между самими микроскопическими моментами (энергия спин-спинового взаимодействия). Магнитная релаксация, при которой полная энергия спиновой системы не меняется, а лишь перераспределяется между степенями свободы магнитных моментов, называется спин-спиновой. Магнитная релаксация, изменяющая полную энергию спиновой системы, называется спин-решёточной. Она устанавливает равновесие между спиновой системой и термостатом («решёткой»); последний термин часто не ограничивают случаем решётки кристалла, а имеют в виду все степени свободы, кроме ориентации спинов (тепловое движение молекул жидкости, электронов проводимости в металле и пр.).

Равновесному состоянию парамагнетика, находящегося при температуре Т во внешнем магнитном поле Н, соответствует равновесное значение его намагниченности М₀, направленной, как правило, по Н. Любое изменение величины или направления поля Н приводит к магнитной релаксации, в процессе которой М стремится к своему новому равновесному значению. При этом релаксация продольной и поперечной по отношению к Н составляющих вектора намагниченности происходит с разной скоростью. Соответственно различают время продольной релаксации τ₁ и время поперечной релаксации τ₂; как правило, τ₁ > τ₂. Во многих случаях оба вида релаксации можно описать феноменологическим уравнением, полученным Ф. Блохом (1946):

dM/dt = γ[MH] - iM_x/τ₂ - jM_y/τ₂ - k(M_z-M_o)/τ₁      (1)

где γ — магнитомеханическое отношение для носителей магнетизма (электронов или ядер); i, j, k — единичные векторы осей х, у, z; поле Н направлено вдоль оси z. Первое слагаемое в правой части (1) описывает прецессию вектора М вокруг направления Н с частотой ω₀ = γН. Второе и третье слагаемые соответствуют поперечной релаксации. Её причиной является расфазировка (нарушение когерентности фаз) прецессии отдельных микроскопических моментов вещества, приводящая к эспоненциальному затуханию М_х с временем τ₂. Источником поперечной релаксации когут быть как спин-спиновые, так и спин-решёточныё взаимодействия, в зависимости от того, какие из них эффективнее. Другой причиной затухания могут быть  статические неоднородности (неоднородности внешнего поля Н), вызывающие разброс частот прецессии индивидуальных спинов. В этом случае поперечная релаксация обратима. В электронных парамагнетиках время τ₂ попадает в диапазон от 10^-9 с (неразбавленные парамагнитные соли) до 10^-5— 10^-4 с (диамагные кристаллы с примесью парамагнитных ионов), для ядерных спиновых систем— от 10^-4 с (твёрдые тела) до секунд (жидкости). В последнем случае замедление релаксации обусловлено усреднением анизотропных спиновых взаимодействий из-за быстрого теплового движения молекул.

Последнее слагаемое в уравнении (1) описывает продольную релаксацию. В достаточно больших магнитных полях она обусловлена спин-решёточным взаимодействием и ведёт к равновесному распределению спинов по зеемановским уровням энергии за время τ₁ > τ₂. В малых полях продольная релаксация может быть спин-спиновой, причём τ₁ ~ τ₂.

Во многих случаях описание магнитной релаксации с помощью уравнения (1) неадекватно. В частности, в твёрдых непроводящих парамагнетиках (как электронных, так и ядерных) при τ₁ >> τ₂ магнитная релаксация протекает сложнее. Она ведёт к установлению в спиновой системе внутреннего квазиравновесия, при котором зеемановская и спин-спиновая подсистемы характеризуются собственными спиновыми температурами. Их выравнивание между собой и с температурой решётки Т происходит на следующем этапе, за счёт спин-решёточного взаимодействия. Дополнит, усложнения магнитной релаксации возникают из-за мультиплетной структуры нижних энергетических уровней парамагнитных ионов в кристаллическом поле, сверхтонкого взаимодействия электронов с ядрами и др.

Конкретные механизмы спин-решёточной релаксации в парамагнетиках многообразны, однако в любом случае в их основе лежит воздействие на спиновую систему флуктуирующих полей, создаваемых тепловым движением решётки. Частотный спектр спин-решёточиого взаимодействия содержит характерные частоты спиновой системы (в частности, ω₀). В концентрированных электронных парамагнетиках это обеспечивается модуляцией дипольных и обменных взаимодействий между магнитными ионами тепловыми колебаниями решётки или молекулярным движением. В твёрдых телах с малой концентрацией парамагнитных примесей (ионов переходных групп, свободных радикалов и т. п.) основную роль играет
модуляция орбитального движения неспаренных электронов, передающаяся спиновым степеням свободы через спин-орбитальное взаимодействие. Поэтому наибольшая быстрая спин-решёточная релаксация наблюдается для ионов, в магнетизме которых существен вклад орбитального движения (Fе²⁺, Сr²⁺ и др.), а наиболее медленная — для преимущественно спинового магнетизма (Mn²⁺, водородоподобные дефекты и др.).

Элементарные процессы спин-решёточной релаксации могут быть прямыми (с рождением или поглощением одного фонона частоты ω₀), комбинационными (двухфотонными), а также многоступенчатыми, с участием ближайших возбуждённых состояний. Прямые процессы преобладают лишь при низких температурах, где обычно  τ₁ ~ 1/Т. Остальные механизмы, характерные для более высоких температур, ведут к более сильной (степенной, экспоненциальной) температурной зависимости  τ₁. Диапазон значений  τ₁ в электронных парамагнетиках от 10^-9—10^-7 с при комнатной температуре до 10^-3 —1 с при температурах жидкого гелия.

Магнитная релаксация проявляется в процессах намагничивания и перемагничивания, определяет ширину линий ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса, ферро- и антиферромагнитного резонансов. Свойства ферро- и антиферромагнетиков в высокочастотных электромагнитных полях существенно зависят от магнитной релаксации. В ряде случаев магнитная релаксация накладывает ограничения на условия применения в технике магнитных тонких плёнок, на быстродействие магнитных элементов запоминающих устройств ЭВМ и другое. Времена магнитной релаксации относятся к тем параметрам твёрдого тела, которые сравнительно легко изменяются технологической обработкой (легированием, закалкой и тому подобное).

Магнитная релаксация усложняется существованием сил различной природы, действующих между спинами. Обменные силы наибольшие по величине, не могут изменить среднего магнитного момента системы, даже если он имеет неравновесное значение, но выравнивают температуру в спиновой подсистеме. Релятивистские силы взаимодействия между спинами (спин-орбитальные, магнитодипольные и другие) ответственны за релаксацию среднего магнитного момента, причём разные компоненты магнитного момента релаксируют с разной скоростью. Релаксация в парамагнетиках компонента магнитного момента, который перпендикулярен приложенному магнитному полю, связана со спин-спиновым взаимодействием, а релаксация продольного компонента – со спин-решёточным (спин-фононным) взаимодействием.Различная природа релаксации проявляется не только в численном различии времён релаксации, но и в разных зависимостях от температуры. Магнитная релаксация ядерных спинов обладает особенностями, обусловленными их сравнительно слабым взаимодействием с другими степенями свободы твердого тела и друг с другом. Из-за этого время ядерной релаксации, как правило, превосходит другие времена релаксации.

Теория магнитной релаксации в разбавленных растворах (для изолированных цепей) развита в работах Хазановича и Ульмана. В обеих работах использована модель цепной молекулы Рауза – Картина – Слонимского, по результатам теории также схожи и качественно описывают молекулярномассовые зависимости времен релаксации. В частности, Хазановичем показано, что нормированный спектр частот корреляции для модельной цепи, состоящей из гауссовых субцепей со среднеквадратичным расстоянием между концами Р и коэффициентом трения.
При температурах значительно выше температуры стеклования или плавления полимеров измерение ширины линии затруднительно, поэтому целесообразно измерять времена ядерной магнитной релаксации T_I и Т₂. При температурах значительно выше температуры стеклования или плавления полимеров измерение ширины линии затруднительно, поэтому целесообразно измерять времена ядерной магнитной релаксации T_I и Т₂. Следует заметить наличие расхождений с результатами теории (пунктирная кривая), основанной на предположении о виде функции корреляции. При повышении температуры не обнаруживается тенденции к сближению T_I и Т₂, которое, согласно теории, должно наступать сразу после проявления минимума T_I. Еще более существенно наличие при высоких температурах двух поперечных времен релаксации и одного продольного.

Акцент сделан на рассмотрение магнитных релаксационных явлений и специфики их проявления в твердых полимерах, их расплавах и растворах в связи с особенностями структуры полимерных систем и динамики цепных молекул, в частности, с пространственным характером движений. Так, спектральные и временные параметры поперечной магнитной релаксации весьма чувствительны к степени локального равновесия в полимерных системах, достигаемого за время наблюдения. Остаточные ядерные диполь-дипольные магнитные взаимодействия, определяющие величину указанных параметров, являются мерой анизотропии мелкомасштабных движений макромолекул, которая может быть связана с наличием топологических ограничений или химических сшивок. Из-за этого очень важные в практическом плане опыты по магнитной релаксации полимерных жидких кристаллов должны ставиться уже иным образом и, строго говоря, релаксационно-спектрометрической информации в истинном значении этих слов они уже не дают.

Теория магнитных релаксационных явлений использует общие физические представления о магнитной релаксации: пока не учитывает особенности структур полимерных тел
В экспериментах первого типа скорость вращательного движения обычно определяется невозмущенной внешними силами конформацией цепной молекулы. Это исследование релаксационных процессов в явлениях диэлектрической, ядерной и электронной магнитной релаксации, поляризованной люминесценции и релаксации двойного лучепреломления в явлениях Керра. В этих экспериментах, используя либо убывание во времени, либо частотную зависимость соответствующей величины, определяют время релаксации Т, связанное с коэффициентом вращательной диффузии.

Ядра, обладающие магнитным моментом, поглощая энергию радиочастотного поля, отдают ее окружающей среде. Скорость обмена энергией между ядрами и решеткой характеризуют временем Т называется спин-решеточной релаксацией Т_г, внутри системы магнитных моментов – временем Т. называется спин-спиновой релаксации Т2. Для экспериментального определения T_I и Т₂ используют обычно импульсные методы. По временам ядерной магнитной релаксации можно судить об интенсивности молекулярного движения.