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

1、核磁共振技術(shù)及其在固體材料結(jié)構(gòu)和物性研究核磁共振技術(shù)及其在固體材料結(jié)構(gòu)和物性研究中的應(yīng)用中的應(yīng)用于偉強(qiáng)于偉強(qiáng)中國人民大學(xué)物理系中國人民大學(xué)物理系Dept. of Physics, Renmin University of China (RUC) Dept. of Physics, Renmin University of China (RUC) 中國人民大學(xué) 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)研究中的開拓性工作和重要研究1）奈特位移(Ks)對自旋單態(tài)和自旋三態(tài)超導(dǎo)對稱性的認(rèn)定；2）自旋晶格弛豫率 (1/T1) 對s-波和d-波自旋單態(tài)的認(rèn)定；

2、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（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)用從自旋量子化到（核）磁共振 泡利 提出自旋 斯特恩 1920s, (Electron) Spin quantization. (1943 Nobel Prize in Physics) I. I. Rabi1930s, LiCl molecule beams in a magnetic field resonating in an oscillating

3、 field. ( 1944 Noble Prize in Physics).自旋是一個重要的量子概念自旋是一個重要的量子概念S=1/2: 電子，夸克，質(zhì)子，中子，中微子(?)S=1/2: 原子核自旋角動量量子化自旋角動量量子化 磁矩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 rmvqrv 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)代生活中現(xiàn)代生活中同時，溫度越低，被熱力學(xué)掩蓋(KBT)的量子現(xiàn)象越來越明顯。低溫物理一般是探索新奇量子態(tài)的起點(diǎn)；通過提

4、高量子態(tài)的能量尺度來實(shí)現(xiàn)常溫下的量子態(tài)是凝聚態(tài)物理的追求之一。1/2-1/2zSBE具有奇數(shù)核子的原子核在外磁場下核自旋能級塞曼劈裂并產(chǎn)生不同占據(jù)數(shù)差異；吸收特定頻率電磁波發(fā)生能級躍遷。原子核的量子自旋可以作為一個定點(diǎn)探測頭原子核的量子自旋可以作為一個定點(diǎn)探測頭TKNNBeI/ F. Bloch and E. M. Purcell in 1940s, CW NMR, Nuclei Magnetic Resonance in Solids and Liquids with RF field (1952 Nobel prize in Physics). R. R. Ernst in 1960s,

5、Pulse NMR, Fourier Transform (FT) and multi dimensional NMR. (1991 Noble Prize in Chemistry)K. Wthrich, protein FT NMR, (2002 Nobel Prize in Chemistry)P. Lauterbur and S. P. Mansfield , MRI, (2003 Nobel Prize in Physiology or Medicine) Are you the next?F. Bloch(1905-1983) E. M. Purcell (1912-1997)R.

6、 Ernst(1933- )核磁共振的里程碑：四次諾貝爾獎核磁共振的里程碑：四次諾貝爾獎核磁共振系統(tǒng)設(shè)計(jì)（NMR Setup ）TransmitterReceiverH現(xiàn)代核磁共振主要使用脈沖技術(shù)大幅提高分辨率。在技術(shù)上使用電平觸發(fā)控制信號的輸出、輸入，并使用FFT（快速傅里葉變換）進(jìn)行譜學(xué)分析。 1D time and FFT NMR spectrum時間空間譜頻率空間譜（頻譜）FFT固體核磁共振固體核磁共振: 核磁共振譜儀核磁共振譜儀+調(diào)控技術(shù)（變溫、變場、高壓）調(diào)控技術(shù)（變溫、變場、高壓）Helium-3 Cryostat (235mK) & ProbeNMR Spectrome

7、ter, 6-500MHzSweepable NMR Magnet, 12THelium Cryostat, 300-1.4KPressure Cell, 3GPa固體核磁共振的特點(diǎn)是結(jié)合固體材料的磁性和超導(dǎo)等特性研究技術(shù)，并在可變磁場、可調(diào)低溫和可調(diào)高壓等條件下進(jìn)行研究。通過調(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)，另一方面通過系統(tǒng)對調(diào)控的反應(yīng)推測新奇量子態(tài)機(jī)理。譬如，通過調(diào)控溫度、壓強(qiáng)、磁場等可以產(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。 由于相互作用，周圍電子影響原子核共振吸收；反過來，通過探測原子核的共振吸收可以推論原子核位置和周圍電子的狀態(tài)原子核是核磁共振研究電子態(tài)的

8、天然探頭原子核是核磁共振研究電子態(tài)的天然探頭固體核磁共振的研究機(jī)理：固體核磁共振的研究機(jī)理： 超精細(xì)作用，磁偶極矩作用超精細(xì)作用，磁偶極矩作用nehfISA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) ：動態(tài)磁化率0ehfSA321213rIIIIzz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B0B0100fffBBBlocL. Ma et al., 人大物理系自旋大

9、于1/2的原子核能級在晶體內(nèi)本征電場梯度下產(chǎn)生核四極距能級劈裂和共振，據(jù)此可以研究晶體結(jié)構(gòu)VeQSI01020304050607048.048.248.448.648.849.0 f (MHz)T (K)H=6T 2.5oNaFeAs 75As Satellite結(jié)構(gòu)相變下的卵晶反鐵磁相變經(jīng)典圖像：外加交變電磁場對核自旋產(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)，其弛豫時間收到周圍環(huán)境的影響。z 0H0Mx z 0Hx effH1HMz 0HMx (a)(b)(c)兩個弛豫過程1）奈特位移(Ks)對自旋單態(tài)和自旋三態(tài)超導(dǎo)對稱性的

10、認(rèn)定；2）自旋晶格弛豫率 (1/T1) 對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。3. 固體核磁共振在超導(dǎo)研究中的開拓性工作和重要研究宏觀現(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)致兩個電子配成庫伯對并凝聚在低能態(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)TripletfpSingletdsSP),( )2),( )1:庫伯電子對配對波函數(shù)：軌道X自旋波函數(shù) 反對稱自旋單態(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

11、對對稱性，因而研究微觀機(jī)制最重要的出發(fā)點(diǎn)是判斷庫伯對的對稱性庫伯對配對機(jī)制：聲子作用（BCS），磁子作用，激子作用電子局域磁化率導(dǎo)致Knight 位移00)1()1(fKfAKBKBslochfsstotnehfISA對于順磁金屬態(tài)：局域磁化率 0對于自旋單態(tài)超導(dǎo) (S=0)：局域磁化率=0對于自旋三態(tài)超導(dǎo)(S=1): 局域磁化率 017O NMR, Y. Maeon et al,Physics Today, 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)體的對比自旋晶格弛豫（T1）對低能的元激發(fā)最敏感（N100MHz0.4eV）0),(Im22 21|)()()

12、(1)()(| |/ 1NNNqqhfqqqhfskskskkshfqASSqAskfksfEEsknISAmksTnehfISA0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.00.00.20.40.60.81.0 I(t)t (s)1-e-t/T1在s-波和d-波超導(dǎo)單態(tài)中的能隙打開和電子態(tài)密度（DOS）能隙當(dāng)TTc 時，0S-波超導(dǎo)體在零能附近有大量的態(tài)密度，而d-波沒有可以通過低能元激發(fā)區(qū)分s-波和d-波！常規(guī)態(tài)DOSS-波超導(dǎo)體在零能附近有大量的態(tài)密度相干峰S-波d-波Spin-lattice Relaxation of an s-wave superconduc

13、tor (Indium)and a d-wave superconductor (YBa2Cu3O7)P. B. Allen, Nature 349, 396 (1991);P. C. Hammel et al., PRL 63, 1992 (1989);J. D. Williamson et al., PRB 8, 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摻雜Ks和1/T1發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體贗能隙現(xiàn)象；Tom Timusk and Bryan Statt, Rep. Prog. Phys. 62, 61 (1999)R. E. Walst

14、edt et al., Phys. Rev. B 41 9574 (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，表明我們對超導(dǎo)體的常規(guī)態(tài)性質(zhì)還不理解！ATTT/ )(1Moriya自旋漲落理論(TMTSF)2PF6 高壓下的77T1 高溫超導(dǎo)、有機(jī)超導(dǎo)體中存在自旋漲落現(xiàn)象：自旋漲落是超導(dǎo)配對的原因？核磁共振自旋晶格弛豫率是探測低能自旋漲落的優(yōu)越手段4） 1/T1揭示非常規(guī)超導(dǎo)體的低能自旋漲落現(xiàn)象。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.核磁共振的優(yōu)勢核磁共振的優(yōu)勢 具有位置選擇性的探測手段； 樣品整體特性；3. 對低能元激發(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)用固體核磁共振的應(yīng)用1. 靈敏度低，表面或薄膜測量不好；2. 電子線路的帶寬較窄。核磁共振的局限性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Nanoscale field mapping in “flawed” diamonds, M. Lukin et al.; F. Jelezko