核磁共振技术在凝聚态物理中的应用

核磁共振技术在凝聚态物理中的应用第1页，课件共163页，创作于2023年2月主要内容核磁共振原理简介脉冲核磁共振技术核磁共振在超导和磁性材料中的应用第2页，课件共163页，创作于2023年2月主要内容核磁共振原理简介脉冲核磁共振技术核磁共振在超导和磁性材料中的应用第3页，课件共163页，创作于2023年2月<自旋>(spin)1924年，首先引入“双值量子自由度”(two-valuedquantumdegreeoffreedom)1921年~1922年WolfgangPauliOttoStern,WaltherGerlach第4页，课件共163页，创作于2023年2月RalphKronig这的确是一个很聪明的想法，但我认为它不太现实！Pauli老师，我认为考虑电子具有Spin可以理解您提出的“双值量子自由度”1925年初GeorgeUhlenbeck,SamuelGoudsmit1925年，提出“自旋”概念1925年秋天第5页，课件共163页，创作于2023年2月自旋是所有基本粒子的内秉属性，是一个重要的量子力学概念，没有任何经典物理量与之对应自旋对原子尺度的系统格外重要，诸如单一原子、质子、电子甚至是光子，都带有正半奇数（1/2、3/2等等）或含零正整数（0、1、2）的自旋；半整数自旋的粒子被称为费米子（如电子），整数的则称为玻色子（如光子）。复合粒子也带有自旋，其由组成粒子（可能是基本粒子）的自旋通过加法所得；例如质子的自旋可以从夸克自旋得到。第6页，课件共163页，创作于2023年2月中子：1个上夸克+2个下夸克质子：2个上夸克+1个下夸克标准模型第7页，课件共163页，创作于2023年2月原子核：n个中子+m个质子第8页，课件共163页，创作于2023年2月I.I.RabiLiClmoleculebeamsinamagneticfieldresonatinginanoscillatingfield.I.I.Rabietal.,"ANewMethodofMeasuringNuclearMagneticMoment".PhysicalReview

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

第11页，课件共163页，创作于2023年2月第12页，课件共163页，创作于2023年2月-1/2IZ=1/2WN-N+t趋于无穷长时间，零磁化dE/dt=ħωWn能量吸收率：我们考虑自旋1/2情况，如果施加一个交变磁场ħω（跃迁几率W）第13页，课件共163页，创作于2023年2月平衡态条件考虑自旋与晶格系统通过自旋-晶格弛豫建立热平衡第14页，课件共163页，创作于2023年2月n=neq+Ae-t/T1T1:自旋-晶格弛豫率如果我们考虑上面两个rateequations，就有：dE/dt=ħωWn=neqħωW/(1+2WT1)能量吸收率：第15页，课件共163页，创作于2023年2月dE/dt=ħωWn=neqħωW/(1+2WT1)讨论：当2WT1<<1，提高W可以有效提高能量吸收（W正比于交变磁场的平方）当W~1/2T1，提高W就不再能提高能量吸收，出现饱和现象T1太长不太利于观察共振现象（这里主要考虑连续波吸收）第16页，课件共163页，创作于2023年2月第17页，课件共163页，创作于2023年2月第18页，课件共163页，创作于2023年2月核磁共振应用

核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四维（4D）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。第19页，课件共163页，创作于2023年2月一些实际的应用分子结构的测定化学位移各向异性的研究金属离子同位素的应用动力学核磁研究质子密度成像T1T2成像化学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机化合物的结构解析表面化学有机化合物中异构体的区分和确定大分子化学结构的分析生物膜和脂质的多形性研究脂质双分子层的脂质分子动态结构生物膜蛋白质——脂质的互相作用压力作用下血红蛋白质结构的变化生物体中水的研究生命组织研究中的应用生物化学中的应用在表面活性剂方面的研究原油的定性鉴定和结构分析沥青化学结构分析涂料分析农药鉴定食品分析药品鉴定第20页，课件共163页，创作于2023年2月第21页，课件共163页，创作于2023年2月主要内容核磁共振原理简介脉冲核磁共振技术核磁共振在超导和磁性材料中的应用第22页，课件共163页，创作于2023年2月R.ErnstErwinL.Hahn“Spin-echo”1950年R.R.Ernstin1960’s,PulseNMR,FourierTransform(FT)andmultidimensionalNMR.第23页，课件共163页，创作于2023年2月第24页，课件共163页，创作于2023年2月第25页，课件共163页，创作于2023年2月第26页，课件共163页，创作于2023年2月第27页，课件共163页，创作于2023年2月第28页，课件共163页，创作于2023年2月第29页，课件共163页，创作于2023年2月第30页，课件共163页，创作于2023年2月第31页，课件共163页，创作于2023年2月第32页，课件共163页，创作于2023年2月第33页，课件共163页，创作于2023年2月第34页，课件共163页，创作于2023年2月第35页，课件共163页，创作于2023年2月第36页，课件共163页，创作于2023年2月第37页，课件共163页，创作于2023年2月第38页，课件共163页，创作于2023年2月第39页，课件共163页，创作于2023年2月第40页，课件共163页，创作于2023年2月第41页，课件共163页，创作于2023年2月第42页，课件共163页，创作于2023年2月第43页，课件共163页，创作于2023年2月第44页，课件共163页，创作于2023年2月第45页，课件共163页，创作于2023年2月第46页，课件共163页，创作于2023年2月第47页，课件共163页，创作于2023年2月第48页，课件共163页，创作于2023年2月第49页，课件共163页，创作于2023年2月第50页，课件共163页，创作于2023年2月主要内容核磁共振原理简介脉冲核磁共振技术核磁共振在超导和磁性材料中的应用第51页，课件共163页，创作于2023年2月Electron-nucleusinteractionsDipolarfieldproducedbynuclearmagneticmomentatr=0-eμN第52页，课件共163页，创作于2023年2月DiamagneticenergyCouplingbetweennuclearspinsmediatedbyelectronsCouplingbetweendiamagneticcurrentandnuclearspins第53页，课件共163页，创作于2023年2月(Chemicalshiftterm)第54页，课件共163页，创作于2023年2月AtomicmagnetismQuantummechanicsofanatomwithatomicnumberZinmagneticfield:Thefirsttermiszerofieldkineticandpotentialenergy,irrelevanttomagnetismThesecondtermistheenergycausedbyorbitalandspinmagneticmomentsofelectrons,knownasparamagneticterm.Whatistheoriginandconsequenceofthethirdterm?Choosethesymmetricgauge:A(r)=(Br)/2第55页，课件共163页，创作于2023年2月CorediamagnetismThefirst-orderenergycorrectionduetothethirdterm(supposeBalongz):Hencethemagnetizationis:Thisisadiamagnetictermcausedbyallelectronsinanatom,evenforfilledcores.Thusitiscalledcorediamagnetism.Corediamagnetismisthemostuniversalmagneticphenomenon.ItisapureQMeffectwithoutclassicalanalog.Andthesusceptibilityis:riisthez-projectionoftheelectronorbital第56页，课件共163页，创作于2023年2月第57页，课件共163页，创作于2023年2月第58页，课件共163页，创作于2023年2月第59页，课件共163页，创作于2023年2月第60页，课件共163页，创作于2023年2月ElectricQuadrupoleInteraction++++I=+1or-1I=0HQ=0HQ≠0Chargedistributiononnucleiisdependentonspinstate第61页，课件共163页，创作于2023年2月ElectrostaticinteractionsChargedensityofnucleiElectrostaticpotentialcreatedbytheelectronssurroundingnucleiElectricfieldgradient第62页，课件共163页，创作于2023年2月Wigner-EckerttheromQ:quadrupolemomentfornucleiChoosetheprincipleaxisforVij第63页，课件共163页，创作于2023年2月第64页，课件共163页，创作于2023年2月第65页，课件共163页，创作于2023年2月第66页，课件共163页，创作于2023年2月第67页，课件共163页，创作于2023年2月第68页，课件共163页，创作于2023年2月第69页，课件共163页，创作于2023年2月第70页，课件共163页，创作于2023年2月第71页，课件共163页，创作于2023年2月第72页，课件共163页，创作于2023年2月第73页，课件共163页，创作于2023年2月第74页，课件共163页，创作于2023年2月第75页，课件共163页，创作于2023年2月第76页，课件共163页，创作于2023年2月第77页，课件共163页，创作于2023年2月第78页，课件共163页，创作于2023年2月第79页，课件共163页，创作于2023年2月第80页，课件共163页，创作于2023年2月第81页，课件共163页，创作于2023年2月第82页，课件共163页，创作于2023年2月第83页，课件共163页，创作于2023年2月cbaO2O3FO1O4FO3EO4E第84页，课件共163页，创作于2023年2月第85页，课件共163页，创作于2023年2月第86页，课件共163页，创作于2023年2月第87页，课件共163页，创作于2023年2月第88页，课件共163页，创作于2023年2月第89页，课件共163页，创作于2023年2月第90页，课件共163页，创作于2023年2月第91页，课件共163页，创作于2023年2月第92页，课件共163页，创作于2023年2月第93页，课件共163页，创作于2023年2月第94页，课件共163页，创作于2023年2月第95页，课件共163页，创作于2023年2月17ONMR,Y.Maeonetal,PhysicsToday,56,42(2001)Tripletorsingletsuperconductivity?第96页，课件共163页，创作于2023年2月第97页，课件共163页，创作于2023年2月第98页，课件共163页，创作于2023年2月第99页，课件共163页，创作于2023年2月第100页，课件共163页，创作于2023年2月第101页，课件共163页，创作于2023年2月第102页，课件共163页，创作于2023年2月第103页，课件共163页，创作于2023年2月第104页，课件共163页，创作于2023年2月第105页，课件共163页，创作于2023年2月第106页，课件共163页，创作于2023年2月第107页，课件共163页，创作于2023年2月第108页，课件共163页，创作于2023年2月第109页，课件共163页，创作于2023年2月第110页，课件共163页，创作于2023年2月第111页，课件共163页，创作于2023年2月Shastry-Sutherlandspinmodel第112页，课件共163页，创作于2023年2月1/81/61/41/3第113页，课件共163页，创作于2023年2月“1/8”plateaux第114页，课件共163页，创作于2023年2月第115页，课件共163页，创作于2023年2月SdH/dHvAoscillationsDoiron-Leyraudetal.,Nature(2007)QuantumOscillationinunderdopedYBCOFermipocketnotFermiarc第116页，课件共163页，创作于2023年2月CuO2planeYBa2Cu3O6.54p=0.103Tc=59.5K2F2Fsatellitesatellitecentral2F2F2E2E2E+2FK(magnetichyperfineshiftK=A*χ)Q(quadrupolefrequency)electricfieldgradient63CuNMROrtho-IIYBCOI=3/2nuclei第117页，课件共163页，创作于2023年2月p=0.108–H||c=28.5TCu2FCu2Fa+Cu2Fbwithdifferent(K,Q)values

HighfieldNMRinortho-IIYBCOChargeorder第118页，课件共163页，创作于2023年2月Tonset=50±10KT0(RH<0)=43KCoincideswithFermisurfacereconstructionOnsettemperature第119页，课件共163页，创作于2023年2月TNdatafromSannaetal.PRL2004T0datafromLeBœufetal.PRB2011T.Wuetal.,Nature477,191(2011)NewphasediagramAlsosee:Lalibertéetal.NatureCommunication(2011)第120页，课件共163页，创作于2023年2月 H=15T:Nosplitting/broadeningatlowT

Chargeorderisfield-induced (soARPES&highfieldtransportarenotcomparable)Lowfield第121页，课件共163页，创作于2023年2月H=28.5T||aorb

Nosplittingorbroadeningw=350kHzw=350kHz2F2E2F2FCu1ET=3.8KcentrallinessatellitesatelliteFieldparalleltoCuO2planeCompetingorder第122页，课件共163页，创作于2023年2月1DchargemodulationOnly

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

4aStripeorderàlaTranquadaNature(1995)Scenario#2:Modulationperp.tochains2F2E2F2E第125页，课件共163页，创作于2023年2月Ofer&Keren,PRB2009p=0.030.01holeQ

~300kHzSmallamplitudeofchargemodulationAmplitudeofchargemodulation第126页，课件共163页，创作于2023年2月Nopeakin1/T1Nointensityloss(No«

wipeout

»)Nosignificantspinpolarizationg<Sz><2x10-3

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