核磁共振技術(shù)及其在固體材料結(jié)構(gòu)和物性研究中的應(yīng)用課件

核磁共振技術(shù)及其在固體材料結(jié)構(gòu)和物性研究中的應(yīng)用Dept.ofPhysics,RenminUniversityofChina(RUC)從自旋量子化到（核）磁共振2.譜學(xué)分析研究研究材料結(jié)構(gòu)和磁性結(jié)構(gòu)3.固體核磁共振在超導(dǎo)研究中的開(kāi)拓性工作和重要研究1）奈特位移(Ks)對(duì)自旋單態(tài)和自旋三態(tài)超導(dǎo)對(duì)稱性的認(rèn)定；2）自旋晶格弛豫率(1/T1)

對(duì)s-波和d-波自旋單態(tài)的認(rèn)定；3）Ks和1/T1發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體贗能隙現(xiàn)象；4）1/T1揭示非常規(guī)超導(dǎo)體的低能自旋漲落現(xiàn)象。4.近代核磁共振技術(shù)的發(fā)展5.廣義的磁共振技術(shù)（核）磁共振技術(shù)及其在固體材料結(jié)構(gòu)和物性研究中的應(yīng)用中國(guó)人民大學(xué)從自旋量子化到（核）磁共振S=1/2:電子，夸克，質(zhì)子，中子，中微子(?)S>=1/2:原子核自旋角動(dòng)量量子化磁矩量子化費(fèi)米統(tǒng)計(jì)和波色統(tǒng)計(jì)與經(jīng)典物理的類比S~L~rmvμ~qrv~qs/m質(zhì)量越小，磁矩越大金屬（費(fèi)米統(tǒng)計(jì)和費(fèi)米面）磁性超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)？電子的量子自旋決定了固體材料性質(zhì)并直接體現(xiàn)在我們的現(xiàn)代生活中…同時(shí)，溫度越低，被熱力學(xué)掩蓋(KBT)的量子現(xiàn)象越來(lái)越明顯。低溫物理一般是探索新奇量子態(tài)的起點(diǎn)；通過(guò)提高量子態(tài)的能量尺度來(lái)實(shí)現(xiàn)常溫下的量子態(tài)是凝聚態(tài)物理的追求之一。1/2-1/2具有奇數(shù)核子的原子核在外磁場(chǎng)下核自旋能級(jí)塞曼劈裂并產(chǎn)生不同占據(jù)數(shù)差異；吸收特定頻率電磁波發(fā)生能級(jí)躍遷。原子核的量子自旋可以作為一個(gè)定點(diǎn)探測(cè)頭

F.BlochandE.M.Purcellin1940’s,CWNMR,NucleiMagneticResonanceinSolidsandLiquidswithRFfield(1952NobelprizeinPhysics).R.R.Ernstin1960’s,PulseNMR,FourierTransform(FT)andmultidimensionalNMR.(1991NoblePrizeinChemistry)K.Wüthrich,proteinFTNMR,(2002NobelPrizeinChemistry)P.LauterburandS.P.Mansfield,MRI,(2003NobelPrizeinPhysiologyorMedicine)Areyouthenext?F.Bloch(1905-1983)E.M.Purcell(1912-1997)R.Ernst(1933-)核磁共振的里程碑：四次諾貝爾獎(jiǎng)1DtimeandFFTNMRspectrum時(shí)間空間譜頻率空間譜（頻譜）FFT通過(guò)調(diào)控可以產(chǎn)生物性的變化：一方面可以發(fā)現(xiàn)新奇的量子態(tài)，另一方面通過(guò)系統(tǒng)對(duì)調(diào)控的反應(yīng)推測(cè)新奇量子態(tài)機(jī)理。譬如，通過(guò)調(diào)控溫度、壓強(qiáng)、磁場(chǎng)等可以產(chǎn)生磁性和非磁性的互換，超導(dǎo)態(tài)和非超導(dǎo)態(tài)的互換。固體中原子核和周圍電子有超精細(xì)作用，導(dǎo)致其核磁共振譜和弛豫受到影響。據(jù)此我們可以推論電子的靜態(tài)序參量和低能元激發(fā)。譜學(xué)分析:靜態(tài)磁矩，奈特位移K等自旋-自旋弛豫(T2)：磁偶極子耦合自旋-晶格弛豫(T1)：動(dòng)態(tài)磁化率譜學(xué)分析研究研究材料結(jié)構(gòu)和磁性結(jié)構(gòu)NaFeAs:75As譜在反鐵磁相變溫度（39K）以下的劈裂B0B0L.Maetal.,人大物理系自旋大于1/2的原子核能級(jí)在晶體內(nèi)本征電場(chǎng)梯度下產(chǎn)生核四極距能級(jí)劈裂和共振，據(jù)此可以研究晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相變下的卵晶反鐵磁相變經(jīng)典圖像：外加交變電磁場(chǎng)對(duì)核自旋產(chǎn)生力矩作用，導(dǎo)致自旋向下偏轉(zhuǎn)。在撤銷交變場(chǎng)后，自旋發(fā)生在z-方向的弛豫(T1)和xy-面內(nèi)的弛豫(T2)，其弛豫時(shí)間收到周圍環(huán)境的影響。(a)(b)(c)兩個(gè)弛豫過(guò)程宏觀現(xiàn)象：有限溫度下的零電阻微觀現(xiàn)象：有效的吸引作用導(dǎo)致兩個(gè)電子配成庫(kù)伯對(duì)并凝聚在低能態(tài)，元激發(fā)有能隙，從而形成超導(dǎo)（超流）現(xiàn)象）。從量子的角度理解什么是超導(dǎo)…庫(kù)伯電子對(duì)配對(duì)波函數(shù)：軌道X自旋波函數(shù)反對(duì)稱自旋單態(tài)(S=0)：s-波，d-波，g-波等自旋三態(tài)(S=1)：p-波，f-波不同的微觀機(jī)制可能導(dǎo)致不同的配對(duì)對(duì)稱性，因而研究微觀機(jī)制最重要的出發(fā)點(diǎn)是判斷庫(kù)伯對(duì)的對(duì)稱性庫(kù)伯對(duì)配對(duì)機(jī)制：聲子作用（BCS），磁子作用，激子作用…17ONMR,Y.Maeonetal,PhysicsToday,56,42(2001)自旋單態(tài)與自旋三態(tài)釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)體和鍶釕氧超導(dǎo)體的對(duì)比自旋晶格弛豫（T1）對(duì)低能的元激發(fā)最敏感（ωN100MHz~0.4μeV）Spin-latticeRelaxationofans-wavesuperconductor(Indium)andad-wavesuperconductor(YBa2Cu3O7)P.B.Allen,Nature349,396(1991);P.C.Hammeletal.,PRL63,1992(1989);J.D.Williamsonetal.,PRB8,125(1973).InYBCOS-波d-波高溫超導(dǎo)體的相圖電子摻雜空穴摻雜溫度最佳摻雜欠摻雜過(guò)摻雜Ks和1/T1發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體贗能隙現(xiàn)象；TomTimuskandBryanStatt,Rep.Prog.Phys.62,61(1999)R.E.Walstedtetal.,Phys.Rev.B419574(1990)最佳摻雜和欠摻雜YBa2Cu3O7-x超導(dǎo)體的奈特位移Tc空穴型欠摻雜高溫超導(dǎo)體的贗能隙現(xiàn)象，表明我們對(duì)超導(dǎo)體的常規(guī)態(tài)性質(zhì)還不理解！低維磁性材料和功能性磁性材料性質(zhì)和機(jī)理研究超導(dǎo)性質(zhì)和機(jī)理研究量子信息 礦藏探測(cè)…..核磁共振的優(yōu)勢(shì)具有位置選擇性的探測(cè)手段；樣品整體特性；3.對(duì)低能元激發(fā)更靈敏，而這些低能元激發(fā)決定了固體的特性。固體核磁共振的應(yīng)用1.靈敏度低，表面或薄膜測(cè)量不好；2.電子線路的帶寬較窄。核磁共振的局限性量子計(jì)算近代核磁共振技術(shù)的發(fā)展Nanoscalefieldmappingin“flawed”diamonds,M.Lukinetal.;F.Jelezkoetal.;Nature455(2008).ScanningNMR:Cantilever（懸臂梁）技術(shù)多維度核磁共振研究大分子蛋白質(zhì)和DNA原