核磁共振技術(shù)在凝聚態(tài)物理中的應(yīng)用

核磁共振技術(shù)在凝聚態(tài)物理中的應(yīng)用第1頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容核磁共振原理簡(jiǎn)介脈沖核磁共振技術(shù)核磁共振在超導(dǎo)和磁性材料中的應(yīng)用第2頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容核磁共振原理簡(jiǎn)介脈沖核磁共振技術(shù)核磁共振在超導(dǎo)和磁性材料中的應(yīng)用第3頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月<自旋>(spin)1924年，首先引入“雙值量子自由度”(two-valuedquantumdegreeoffreedom)1921年~1922年WolfgangPauliOttoStern,WaltherGerlach第4頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月RalphKronig這的確是一個(gè)很聰明的想法，但我認(rèn)為它不太現(xiàn)實(shí)！Pauli老師，我認(rèn)為考慮電子具有Spin可以理解您提出的“雙值量子自由度”1925年初GeorgeUhlenbeck,SamuelGoudsmit1925年，提出“自旋”概念1925年秋天第5頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月自旋是所有基本粒子的內(nèi)秉屬性，是一個(gè)重要的量子力學(xué)概念，沒(méi)有任何經(jīng)典物理量與之對(duì)應(yīng)自旋對(duì)原子尺度的系統(tǒng)格外重要，諸如單一原子、質(zhì)子、電子甚至是光子，都帶有正半奇數(shù)（1/2、3/2等等）或含零正整數(shù)（0、1、2）的自旋；半整數(shù)自旋的粒子被稱為費(fèi)米子（如電子），整數(shù)的則稱為玻色子（如光子）。復(fù)合粒子也帶有自旋，其由組成粒子（可能是基本粒子）的自旋通過(guò)加法所得；例如質(zhì)子的自旋可以從夸克自旋得到。第6頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月中子：1個(gè)上夸克+2個(gè)下夸克質(zhì)子：2個(gè)上夸克+1個(gè)下夸克標(biāo)準(zhǔn)模型第7頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月原子核：n個(gè)中子+m個(gè)質(zhì)子第8頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月I.I.RabiLiClmoleculebeamsinamagneticfieldresonatinginanoscillatingfield.I.I.Rabietal.,"ANewMethodofMeasuringNuclearMagneticMoment".PhysicalReview

53(4):318–327(1938)7LiNMR1938年第9頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月F.BlochE.M.PurcellF.BlochandE.M.Purcellin1940’s,CWMR,NucleiMagneticResonanceinSolidsandLiquidswithRFfield第10頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月twoorthogonalcoils

第11頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第12頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月-1/2IZ=1/2WN-N+t趨于無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)間，零磁化dE/dt=?ωWn能量吸收率：我們考慮自旋1/2情況，如果施加一個(gè)交變磁場(chǎng)?ω（躍遷幾率W）第13頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月平衡態(tài)條件考慮自旋與晶格系統(tǒng)通過(guò)自旋-晶格弛豫建立熱平衡第14頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月n=neq+Ae-t/T1T1:自旋-晶格弛豫率如果我們考慮上面兩個(gè)rateequations，就有：dE/dt=?ωWn=neq?ωW/(1+2WT1)能量吸收率：第15頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月dE/dt=?ωWn=neq?ωW/(1+2WT1)討論：當(dāng)2WT1<<1，提高W可以有效提高能量吸收（W正比于交變磁場(chǎng)的平方）當(dāng)W~1/2T1，提高W就不再能提高能量吸收，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象T1太長(zhǎng)不太利于觀察共振現(xiàn)象（這里主要考慮連續(xù)波吸收）第16頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第17頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第18頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核磁共振應(yīng)用

核磁共振適合于液體、固體。如今的高分辨技術(shù)，還將核磁用于了半固體及微量樣品的研究。核磁譜圖已經(jīng)從過(guò)去的一維譜圖（1D）發(fā)展到如今的二維（2D）、三維（3D）甚至四維（4D）譜圖，陳舊的實(shí)驗(yàn)方法被放棄，新的實(shí)驗(yàn)方法迅速發(fā)展，它們將分子結(jié)構(gòu)和分子間的關(guān)系表現(xiàn)得更加清晰。在世界的許多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)集團(tuán)，都可以聽(tīng)到核磁共振這個(gè)名詞，包括我們?cè)谌粘Ｉ钪惺煜さ拇蠹瘓F(tuán)。而且它在化工、石油、橡膠、建材、食品、冶金、地質(zhì)、國(guó)防、環(huán)保、紡織及其它工業(yè)部門用途日益廣泛。在中國(guó)，其應(yīng)用主要在基礎(chǔ)研究方面，企業(yè)和商業(yè)應(yīng)用普及率不高，主要原因是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)不夠、使用成本較高。但在石油化工、醫(yī)療診斷方法應(yīng)用較多。第19頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一些實(shí)際的應(yīng)用分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定化學(xué)位移各向異性的研究金屬離子同位素的應(yīng)用動(dòng)力學(xué)核磁研究質(zhì)子密度成像T1T2成像化學(xué)位移成像其它核的成像指定部位的高分辨成像元素的定量分析有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)解析表面化學(xué)有機(jī)化合物中異構(gòu)體的區(qū)分和確定大分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的分析生物膜和脂質(zhì)的多形性研究脂質(zhì)雙分子層的脂質(zhì)分子動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)生物膜蛋白質(zhì)——脂質(zhì)的互相作用壓力作用下血紅蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化生物體中水的研究生命組織研究中的應(yīng)用生物化學(xué)中的應(yīng)用在表面活性劑方面的研究原油的定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析瀝青化學(xué)結(jié)構(gòu)分析涂料分析農(nóng)藥鑒定食品分析藥品鑒定第20頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第21頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容核磁共振原理簡(jiǎn)介脈沖核磁共振技術(shù)核磁共振在超導(dǎo)和磁性材料中的應(yīng)用第22頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月R.ErnstErwinL.Hahn“Spin-echo”1950年R.R.Ernstin1960’s,PulseNMR,FourierTransform(FT)andmultidimensionalNMR.第23頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第24頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第25頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第26頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第27頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第28頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第29頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第30頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第31頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第32頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第33頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第34頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第35頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第36頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第37頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第38頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第39頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第40頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第41頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第42頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第43頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第44頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第45頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第46頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第47頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第48頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第49頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第50頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要內(nèi)容核磁共振原理簡(jiǎn)介脈沖核磁共振技術(shù)核磁共振在超導(dǎo)和磁性材料中的應(yīng)用第51頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Electron-nucleusinteractionsDipolarfieldproducedbynuclearmagneticmomentatr=0-eμN(yùn)第52頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DiamagneticenergyCouplingbetweennuclearspinsmediatedbyelectronsCouplingbetweendiamagneticcurrentandnuclearspins第53頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(Chemicalshiftterm)第54頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AtomicmagnetismQuantummechanicsofanatomwithatomicnumberZinmagneticfield:Thefirsttermiszerofieldkineticandpotentialenergy,irrelevanttomagnetismThesecondtermistheenergycausedbyorbitalandspinmagneticmomentsofelectrons,knownasparamagneticterm.Whatistheoriginandconsequenceofthethirdterm?Choosethesymmetricgauge:A(r)=(Br)/2第55頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CorediamagnetismThefirst-orderenergycorrectionduetothethirdterm(supposeBalongz):Hencethemagnetizationis:Thisisadiamagnetictermcausedbyallelectronsinanatom,evenforfilledcores.Thusitiscalledcorediamagnetism.Corediamagnetismisthemostuniversalmagneticphenomenon.ItisapureQMeffectwithoutclassicalanalog.Andthesusceptibilityis:riisthez-projectionoftheelectronorbital第56頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第57頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第58頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第59頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第60頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ElectricQuadrupoleInteraction++++I=+1or-1I=0HQ=0HQ≠0Chargedistributiononnucleiisdependentonspinstate第61頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ElectrostaticinteractionsChargedensityofnucleiElectrostaticpotentialcreatedbytheelectronssurroundingnucleiElectricfieldgradient第62頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Wigner-EckerttheromQ:quadrupolemomentfornucleiChoosetheprincipleaxisforVij第63頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第64頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第65頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第66頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第67頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第68頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第69頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第70頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第71頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第72頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第73頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第74頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第75頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第76頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第77頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第78頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第79頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第80頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第81頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第82頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第83頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月cbaO2O3FO1O4FO3EO4E第84頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第85頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第86頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第87頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第88頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第89頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第90頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第91頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第92頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第93頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第94頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第95頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月17ONMR,Y.Maeonetal,PhysicsToday,56,42(2001)Tripletorsingletsuperconductivity?第96頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第97頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第98頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第99頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第100頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第101頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第102頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第103頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第104頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第105頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第106頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第107頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第108頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第109頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第110頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第111頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Shastry-Sutherlandspinmodel第112頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1/81/61/41/3第113頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月“1/8”plateaux第114頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第115頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SdH/dHvAoscillationsDoiron-Leyraudetal.,Nature(2007)QuantumOscillationinunderdopedYBCOFermipocketnotFermiarc第116頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月CuO2planeYBa2Cu3O6.54p=0.103Tc=59.5K2F2Fsatellitesatellitecentral2F2F2E2E2E+2FK(magnetichyperfineshiftK=A*χ)Q(quadrupolefrequency)electricfieldgradient63CuNMROrtho-IIYBCOI=3/2nuclei第117頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月p=0.108–H||c=28.5TCu2FCu2Fa+Cu2Fbwithdifferent(K,Q)values

HighfieldNMRinortho-IIYBCOChargeorder第118頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Tonset=50±10KT0(RH<0)=43KCoincideswithFermisurfacereconstructionOnsettemperature第119頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TNdatafromSannaetal.PRL2004T0datafromLeB?ufetal.PRB2011T.Wuetal.,Nature477,191(2011)NewphasediagramAlsosee:Lalibertéetal.NatureCommunication(2011)第120頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月 H=15T:Nosplitting/broadeningatlowT

Chargeorderisfield-induced (soARPES&highfieldtransportarenotcomparable)Lowfield第121頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月H=28.5T||aorb

Nosplittingorbroadeningw=350kHzw=350kHz2F2E2F2FCu1ET=3.8KcentrallinessatellitesatelliteFieldparalleltoCuO2planeCompetingorder第122頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1DchargemodulationOnly

Cu2Fsplitting1Dcharacter第123頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Unlikely:WouldhavetobetriggeredbychainsChainsarepoorlyconducting(Ando,Taillefer)WouldnotbeenhancedbyfieldReconstructiononset(T0)peaksat1/82a-period,||bScenario#1:Modulationalongchains2F2E2F2E第124頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Stripeswith4aperiod(necessarily)NematictoSmectictransition,inducedbyfieldatT0andpinnedbychains

4aStripeorderàlaTranquadaNature(1995)Scenario#2:Modulationperp.tochains2F2E2F2E第125頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Ofer&Keren,PRB2009p=0.030.01holeQ

~300kHzSmallamplitudeofchargemodulationAmplitudeofchargemodulation第126頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Nopeakin1/T1Nointensityloss(No?

wipeout

?)Nosignificantspinpolarizationg<Sz><2x10-3

Bp=0.108p=0.12p=0.12p=0.108Absenceofmagneticorder/transition第127頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月YBa2Cu3O6.67Cu1ENMRNomagnetictransitionp=0.12YBa2Cu3O6.45Absenceofmagneticorder/transition第128頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月O(3)O(2)ChargeorderdetectedbyRSXSBond-centermodel第129頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月I=5/2nuclei17ONMRevidenceforchargeorderingYBa2Cu3O6.56p=0.106Tc=60.2K16O17O70%-75%R.X.Liangetal.,H//c15T@3KCu2ECu2FaCu2Fb第130頁(yè)，課件共163頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月17ONMRevidenceforchargeorderi