電子自旋在現(xiàn)代科技中的運(yùn)用

1、電子自旋在現(xiàn)代科技中的運(yùn)用指導(dǎo)老師：蔣向東學(xué)號(hào)：021姓名:李智勇一電子自旋共振1.物理介紹 由于分子中的電子多數(shù)是成對(duì)存在，根據(jù)Pauling不相容原理，每對(duì)電子必為一個(gè)自旋向上，一個(gè)自旋向下，而磁性互相抵消。因此必須有不成對(duì)電子的存在，才能表現(xiàn)磁共振，例如過(guò)渡元素重金屬或者自由基的存在。 因?yàn)殡娮佑?/2的自旋，所以在外加磁場(chǎng)下能級(jí)二分。當(dāng)外加具有與此能量差相等的頻率電磁波時(shí)，便會(huì)引起能級(jí)間的躍遷。此現(xiàn)象稱(chēng)為電子自旋共振?？s寫(xiě)為ESR。對(duì)相伴而產(chǎn)生的電磁波吸收稱(chēng)ESR吸收。產(chǎn)生ESR的條件為o（MHz）=1.4gHo（高斯）。式中o為電磁波的頻率，Ho為外部磁場(chǎng)強(qiáng)度，g為g因子（g fac

2、tor）或g值。一個(gè)分子中有多數(shù)電子，一般說(shuō)每二個(gè)其自旋反相，因此互相抵消，凈自旋常為0。但自由基有奇數(shù)的電子，存在著不成對(duì)的電子（其無(wú)與之相消的電子自旋）。也有的分子雖然具有偶數(shù)的電子，但二個(gè)電子自旋同向，凈自旋為一（例如氧分子）。原子和離子也有具有凈自旋的，Cu2+、Fe3+、和Mn2+等常磁性離子即是。這些原子和分子為ESR研究的對(duì)象。由于電子自旋與原子核的自旋相互作用，ESR可具有幾條線(xiàn)的結(jié)構(gòu)，將此稱(chēng)為超微結(jié)構(gòu)（hyperfine stru-cture）。g因子及超微結(jié)構(gòu)都有助于了解原子和分子的電子詳細(xì)狀態(tài)。也可鑒定自由基。另外，從ESR吸收的強(qiáng)度可進(jìn)行自由基等的定量。因?yàn)殡娮幼孕木?/p>

3、和依賴(lài)于原子及分子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以通過(guò)對(duì)ESR的線(xiàn)寬測(cè)定，可以了解原子及分子的動(dòng)的狀態(tài)雖然原理類(lèi)似于核磁共振，但由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)輕于原子核，而有強(qiáng)度大許多的磁矩。以氫核(質(zhì)子)為例，電子磁矩強(qiáng)度是質(zhì)子的659.59倍。因此對(duì)于電子，磁共振所在的拉莫頻率通常需要透過(guò)減弱主磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)使之降低。但即使如此，拉莫頻率通常所在波段仍比核磁共振拉莫頻率所在的射頻范圍還要高微波，因而有穿透力以及對(duì)帶有水分子的樣品有加熱可能的潛在問(wèn)題，在進(jìn)行人體造影時(shí)則需要改變策略。舉例而言，0.3 特斯拉的主磁場(chǎng)下，電子共振頻率發(fā)上在8.41 吉赫，而對(duì)于常用的核磁共振核種質(zhì)子而言，在這樣強(qiáng)度的磁場(chǎng)下，其共振頻率為12.77

4、 兆赫。2運(yùn)用(1)固態(tài)物理中，辨識(shí)與定量自由基分子(即帶有不成對(duì)電子的分子)。(2)化學(xué)，用以偵測(cè)反應(yīng)路徑(3)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用在標(biāo)記生物性自旋探子。一般而言，自由基在化學(xué)上是具有高度反應(yīng)力，而在正常生物環(huán)境中并不會(huì)以高濃度出現(xiàn)。若采用特別設(shè)計(jì)的不反應(yīng)自由基分子，將之附著在生物細(xì)胞的特定位置，就有可能得到這些所謂自旋標(biāo)記或自旋探子分子附近的環(huán)境。(4)晶體學(xué)，用來(lái)進(jìn)行晶體內(nèi)部缺陷的局部結(jié)構(gòu)的研究。一般需要配合測(cè)角器（Goniometer）。 一般而言，自由基在化學(xué)上是具有高度反應(yīng)力，而在正常生物環(huán)境中并不會(huì)以高濃度出現(xiàn)。若采用特別設(shè)計(jì)的不反應(yīng)自由基分子，將之附著在生物細(xì)胞的特定位置，就有可能

5、得到這些所謂“自旋標(biāo)記”或“自旋探子”分子附近的環(huán)境。(5)電磁自旋共振造影原理概述核磁共振成像是隨著電腦技術(shù)、電子電路技術(shù)、超導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種生物磁學(xué)核自旋成像技術(shù)。醫(yī)生考慮到患者對(duì)“核”的恐懼心理，故常將這門(mén)技術(shù)稱(chēng)為“磁共振成像”。核磁共振成像的“核”指的是氫原子核，因?yàn)槿梭w的約70%是由水組成的，MRI即依賴(lài)水中氫原子。當(dāng)把物體放置在磁場(chǎng)中，用適當(dāng)?shù)碾姶挪ㄕ丈渌愿淖儦湓拥男D(zhuǎn)排列方向，使之共振，然后分析它釋放的電磁波，由于不同的組織會(huì)產(chǎn)生不同的電磁波訊號(hào)，經(jīng)電腦處理，就可以得知構(gòu)成這一物體的原子核的位置和種類(lèi)，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的精確立體圖像。原子核在進(jìn)動(dòng)中，

6、吸收與原子核進(jìn)動(dòng)頻率相同的射頻脈沖，即外加交變磁場(chǎng)的頻率等于拉莫頻率，原子核就發(fā)生共振吸收，去掉射頻脈沖之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以電磁波的形式發(fā)射出來(lái)，稱(chēng)為共振發(fā)射。共振吸收和共振發(fā)射的過(guò)程叫做“核磁共振”。醫(yī)學(xué)上的使用氫核是人體成像的首選核種：人體各種組織含有大量的水和碳?xì)浠衔?，所以氫核的核磁共振靈活度高、信號(hào)強(qiáng)，這是人們首選氫核作為人體成像元素的原因。NMR信號(hào)強(qiáng)度與樣品中氫核密度有關(guān)，人體中各種組織間含水比例不同，即含氫核數(shù)的多少不同，則NMR信號(hào)強(qiáng)度有差異，利用這種差異作為特征量，把各種組織分開(kāi)，這就是氫核密度的核磁共振圖像。人體不同組織之間、正常組織與該組織中的病

7、變組織之間氫核密度、弛豫時(shí)間T1、T2三個(gè)參數(shù)的差異，是MRI用于臨床診斷最主要的物理基礎(chǔ)。當(dāng)施加一射頻脈沖信號(hào)時(shí)，氫核能態(tài)發(fā)生變化，射頻過(guò)后，氫核返回初始能態(tài)，共振產(chǎn)生的電磁波便發(fā)射出來(lái)。原子核振動(dòng)的微小差別可以被精確地檢測(cè)到，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的計(jì)算機(jī)處理，即可能獲得反應(yīng)組織化學(xué)結(jié)構(gòu)組成的三維圖像，從中我們可以獲得包括組織中水分差異以及水分子運(yùn)動(dòng)的信息。這樣，病理變化就能被記錄下來(lái)。人體2/3的重量為水分，如此高的比例正是磁共振成像技術(shù)能被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷的基礎(chǔ)。人體內(nèi)器官和組織中的水分并不相同，很多疾病的病理過(guò)程會(huì)導(dǎo)致水分形態(tài)的變化，即可由磁共振圖像反應(yīng)出來(lái)。MRI所獲得的圖像非常清晰精細(xì)，大

8、大提高了醫(yī)生的診斷效率，避免了剖胸或剖腹探查診斷的手術(shù)。由于MRI不使用對(duì)人體有害的X射線(xiàn)和易引起過(guò)敏反應(yīng)的造影劑，因此對(duì)人體沒(méi)有損害。MRI可對(duì)人體各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客觀(guān)更具體地顯示人體內(nèi)的解剖組織及相鄰關(guān)系，對(duì)病灶能更好地進(jìn)行定位定性。對(duì)全身各系統(tǒng)疾病的診斷，尤其是早期腫瘤的診斷有很大的價(jià)值。具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1對(duì)軟組織有極好的分辨力。對(duì)膀胱、直腸、骨、關(guān)節(jié)、肌肉等部位的檢查比CT優(yōu)勝； 2各種參數(shù)都可以用來(lái)成像，多個(gè)成像參數(shù)能提供豐富的診斷信息，這使得醫(yī)療診斷和對(duì)人體內(nèi)代謝和功能的研究方便、有效。例如肝炎和肝硬化的T1值變大，而肝癌的T1值更大，作T1加權(quán)圖像，可區(qū)

9、別肝部良性腫瘤與惡性腫瘤； 3通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)可自由選擇所需剖面。能得到其它成像技術(shù)所不能接近或難以接近部位的圖像。對(duì)于椎間盤(pán)和脊髓，可作矢狀面、冠狀面、橫斷面成像，可以看到神經(jīng)根、脊髓和神經(jīng)節(jié)等。不像CT只能獲取與人體長(zhǎng)軸垂直的橫斷面； 4對(duì)人體沒(méi)有電離輻射損傷； 5原則上所有自旋不為零的核元素都可以用以成像，例如氫（1H）、碳（13C）、氮（14N和15N）、磷（31P）等。缺點(diǎn)：1和CT一樣，MRI也是解剖性影像診斷，很多病變單憑核磁共振檢查仍難以確診，不像內(nèi)窺鏡可同時(shí)獲得影像和病理兩方面的診斷；2對(duì)肺部的檢查不優(yōu)于X射線(xiàn)或CT檢查，對(duì)肝臟、胰腺、腎上腺、前列腺的檢查不比CT優(yōu)越，但費(fèi)用要高

10、昂得多；3對(duì)胃腸道的病變不如內(nèi)窺鏡檢查；4掃描時(shí)間長(zhǎng)，空間分辨力不夠理想；5由于強(qiáng)磁場(chǎng)的原因，MRI對(duì)諸如體內(nèi)有磁金屬或起搏器的特殊病人卻不能適用。在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用1.在高分子化學(xué)領(lǐng)域，如碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的研究、固態(tài)反應(yīng)的空間有向性研究、聚合物中溶劑擴(kuò)散的研究、聚合物硫化及彈性體的均勻性研究等；2.在金屬陶瓷中，通過(guò)對(duì)多孔結(jié)構(gòu)的研究來(lái)檢測(cè)陶瓷制品中存在的沙眼；3.在火箭燃料中，用于探測(cè)固體燃料中的缺陷以及填充物、增塑劑和推進(jìn)劑的分布情況；4.在石油化學(xué)方面，主要側(cè)重于研究流體在巖石中的分布狀態(tài)和流通性以及對(duì)油藏描述與強(qiáng)化采油機(jī)理(6)自旋半導(dǎo)體原理利用電子的自旋來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸和計(jì)算的

11、半導(dǎo)體我們稱(chēng)為自旋半導(dǎo)體研究自旋半導(dǎo)體的科學(xué)叫做自旋電子學(xué)。自旋是電子的內(nèi)稟性質(zhì)，是純量子效應(yīng)，并且電子之間的自旋耦合方式和物質(zhì)的磁性有密切關(guān)系，所以自旋半導(dǎo)體多是用摻雜磁性物質(zhì)的半導(dǎo)體來(lái)制作的，使用磁場(chǎng)來(lái)控制自旋電流的極化和輸運(yùn)。由于電子自旋的極化和輸運(yùn)需要非常少的電流來(lái)控制，并且自旋反轉(zhuǎn)是瞬間完成的，所以自旋半導(dǎo)體器件具有極低的功耗和極快的反應(yīng)時(shí)間，是下一代存儲(chǔ)器的最有希望的備選技術(shù)。運(yùn)用中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的常凱研究員，博士生楊文基于多帶的有效質(zhì)量理論，研究了窄禁帶半導(dǎo)體量子阱 自旋半導(dǎo)體中的自旋軌道耦合，發(fā)現(xiàn)自旋劈裂隨電子波矢的增加而呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線(xiàn)性關(guān)系。他們建立的新模型能夠很好地描

12、述非線(xiàn)性行為，并給出了非線(xiàn)性起源的物理圖像。最近，他們同與美國(guó)斯坦福大學(xué)張守晟教授合作，研究了窄禁帶半導(dǎo)體量子阱中的自旋Hall效應(yīng)。他們基于多帶有效質(zhì)量理論，采用Green函數(shù)方法，考慮到雜質(zhì)散射的頂角修正，建立了關(guān)于n型和p型半導(dǎo)體中自旋霍爾效應(yīng)的統(tǒng)一的理論框架。該理論可以很好地處理強(qiáng)導(dǎo)帶價(jià)帶耦合情形，即窄禁帶半導(dǎo)體量子阱情形。他們發(fā)現(xiàn)利用外加電場(chǎng)和量子阱寬度可以在窄禁帶半導(dǎo)體量子阱中引致量子相變，從而實(shí)現(xiàn)本征自旋Hall效應(yīng)的開(kāi)關(guān)。這種開(kāi)關(guān)效應(yīng)可能會(huì)被用來(lái)驗(yàn)證本征自旋霍爾效應(yīng)的存在。該系列的最新研究工作得到了國(guó)家基金委杰出青年基金和科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目的支持。并以“IntrinsicS

13、pinHallEffectInducedbyQuantumPhaseTransitionsinHgCdTeQuantumWells”為題發(fā)表在物理評(píng)論快報(bào)PRL,100,(2008)上。這些工作引起了德國(guó)Wurzburg大學(xué)實(shí)驗(yàn)小組的強(qiáng)烈興趣，相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作正在進(jìn)行中。二,巨磁阻效應(yīng)是一種量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)現(xiàn)象，磁阻效應(yīng)的一種，可以在磁性材料和非磁性材料相間的薄膜層（幾個(gè)納米厚）結(jié)構(gòu)中觀(guān)察到。這種結(jié)構(gòu)物質(zhì)的電阻值與鐵磁性材料薄膜層的磁化方向有關(guān)，兩層磁性材料磁化方向相反情況下的電阻值，明顯大于磁化方向相同時(shí)的電阻值，電阻在很弱的外加磁場(chǎng)下具有很大的變化量。巨磁阻效應(yīng)被成功地運(yùn)用在硬盤(pán)生產(chǎn)上，

14、具有重要的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。(1)現(xiàn)象物質(zhì)在一定磁場(chǎng)下電阻改變的現(xiàn)象，稱(chēng)為“磁阻效應(yīng)”，磁性金屬和合金材料一般都有這種磁電阻現(xiàn)象，通常情況下，物質(zhì)的電阻率在磁場(chǎng)中僅產(chǎn)生輕微的減?。辉谀撤N條件下，電阻率減小的幅度相當(dāng)大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，稱(chēng)為“巨磁阻效應(yīng)”（GMR）；而在很強(qiáng)的磁場(chǎng)中某些絕緣體會(huì)突然變?yōu)閷?dǎo)體，稱(chēng)為“超巨磁阻效應(yīng)”（CMR）。左面的結(jié)構(gòu)中，兩層磁性材料的磁化方向相同。當(dāng)一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過(guò)時(shí)，電子較容易通過(guò)兩層磁性材料，都呈現(xiàn)小電阻。當(dāng)一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相反的電子通過(guò)時(shí)，電子較難通過(guò)兩層磁性材料，都呈現(xiàn)大電阻。這是因

15、為電子的自旋方向與材料的磁化方向相反，產(chǎn)生散射，通過(guò)的電子數(shù)減少，從而使得電流減小。右面的結(jié)構(gòu)中，兩層磁性材料的磁化方向相反。當(dāng)一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同的電子通過(guò)時(shí)，電子較容易通過(guò)，呈現(xiàn)小電阻；但較難通過(guò)第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，呈現(xiàn)大電阻。當(dāng)一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相反的電子通過(guò)時(shí)，電子較難通過(guò)，呈現(xiàn)大電阻；但較容易通過(guò)第二層磁化方向與電子自旋方向相同的磁性材料，呈現(xiàn)小電阻。巨磁阻效應(yīng)示意圖。FM（藍(lán)色）表示磁性材料，NM（橘色）表示非磁性材料，磁性材料中的箭頭表示磁化方向；Spin的箭頭表示通過(guò)電子的自旋方向；R（綠色）表示電阻值，綠色較小表示

16、電阻值小，綠色較大表示電阻值大。如右圖所示，左面和右面的材料結(jié)構(gòu)相同，兩側(cè)是磁性材料薄膜層（藍(lán)色），中間是非磁性材料薄膜層（橘色）。(2)運(yùn)用巨磁阻效應(yīng)在高密度讀出磁頭、磁存儲(chǔ)元件上有著廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的磁區(qū)越來(lái)越小，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)密度越來(lái)越大，這對(duì)讀寫(xiě)磁頭提出更高的要求。巨磁阻物質(zhì)中電流的增大與減小，可以定義為邏輯信號(hào)的0與1，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性存儲(chǔ)裝置的讀取。巨磁阻物質(zhì)可以將用磁性方法存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，以不同大小的電流輸出，并且即使磁場(chǎng)很小，也能輸出足夠的電流變化，以便識(shí)別數(shù)據(jù)，從而大幅度提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的密度。 巨磁阻效應(yīng)被成功地運(yùn)用在硬盤(pán)生產(chǎn)上。1994年，IBM公司研制成功了巨磁

17、電阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤(pán)記錄密度提高了17倍來(lái)源請(qǐng)求，從而使得磁盤(pán)在與光盤(pán)的競(jìng)爭(zhēng)中重新回到領(lǐng)先地位。目前，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為幾乎所有計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和MP3播放器等的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。利用巨磁電阻物質(zhì)在不同的磁化狀態(tài)下具有不同電阻值的特點(diǎn)，還可以制成磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM），其優(yōu)點(diǎn)是在不通電的情況下可以繼續(xù)保留存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。除此之外，巨磁阻效應(yīng)還應(yīng)用于微弱磁場(chǎng)探測(cè)器。三塞曼效應(yīng)電子的軌道磁矩和自旋磁矩耦合成總磁矩，并且空間取向是量子化的，磁場(chǎng)作用下的附加能量不同，引起能級(jí)分裂。在外磁場(chǎng)中，總自旋為零的原子表現(xiàn)出正常塞曼效應(yīng)，總自旋不為零的原子表現(xiàn)出反常塞曼效應(yīng).(1)原理不加外磁場(chǎng)時(shí)，原子在兩個(gè)能級(jí)

18、E1和E2（E1E2）之間躍遷的能量差為原子核的磁矩比電子磁矩小大約三個(gè)數(shù)量級(jí)。如果只考慮電子的磁矩對(duì)原子總磁矩的貢獻(xiàn)，那么磁場(chǎng)引起的附加能量為這里將磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向取為z軸方向，Z是磁矩在z方向上的投影。mJ是電子總角動(dòng)量J在z方向投影的量子數(shù)，可以取-J,-J+1,J-1,J共2J+1個(gè)值，gJ是電子總角動(dòng)量的朗德因子，B是玻爾磁子。這樣，原子的每一個(gè)能級(jí)分裂成若干分立的能級(jí)，兩個(gè)能級(jí)之間躍遷的能量差為：對(duì)于自旋為零的體系有。由于躍遷的選擇定則，頻率只有三個(gè)數(shù)值：因此一條頻率為的譜線(xiàn)在外磁場(chǎng)中分裂成三條譜線(xiàn)，相互之間頻率間隔相等，為。洛倫茲應(yīng)用經(jīng)典電磁理論解釋了正常塞曼效應(yīng)，計(jì)算出了這個(gè)

19、頻率間隔。通常把這個(gè)能量差的波數(shù)間隔稱(chēng)為洛倫茲單位，符號(hào)。鎘的643.847nm（1D2態(tài)向1P1態(tài)的躍遷）譜線(xiàn)在磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)就是表現(xiàn)出正常塞曼效應(yīng)。這兩個(gè)態(tài)的g都等于1，在外磁場(chǎng)中，1D2分裂成5個(gè)子能級(jí)，1P1分裂成3個(gè)子能級(jí)，由于選擇定則，這些子能級(jí)之間有9種可能的躍遷，有3種可能的能量差值，所以譜線(xiàn)分裂成3條。塞曼效應(yīng)示意圖(2)運(yùn)用1. 由塞曼效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果去確定原子的總角動(dòng)量量子數(shù)J值和朗德因子g值,進(jìn)而去確定原子總軌道角動(dòng)量量子數(shù)L和總自旋量子數(shù)S的數(shù)值。 2. 由物質(zhì)的塞曼效應(yīng)分析物質(zhì)的元素組成。3在天體物理中，塞曼效應(yīng)可以用來(lái)測(cè)量天體的磁場(chǎng)4塞曼效應(yīng)也在核磁共振頻譜學(xué)、電子自旋共振頻譜學(xué)、磁振造影以及穆斯堡爾譜學(xué)方面有重要的應(yīng)用。四.電子自旋極化