2022-2023学年高二物理竞赛课件：核磁共振和自旋电子学

核磁共振和自旋电子学核磁共振和自旋电子学核磁共振自旋极化磁电阻效应核磁共振

核磁共振领域的诺贝尔奖核磁共振领域曾产生过5次诺贝尔奖：1944年物理学奖，拉比(I.I.Rabi)，发现原子核磁性和核磁共振；1952年物理学奖，布洛赫(F.Bloch)和珀塞尔(E.M.Purcell)，分别在固体和液体中发现核磁共振现象并分别建立测量方法；1966年物理学奖，卡斯特勒(A.Kastler)，发明光磁双共振，极大提高测量灵敏度；1991年化学奖，恩斯特(R.R.Ernst)，将傅里叶谱和核磁共振技术结合，极大提高分辨率，并发展二维核磁共振谱；2003年医学奖，劳特布尔(P.C.Lauterbur)和曼斯菲尔德(P.Mansfield)，发展核磁共振成像(MRI)技术。核磁共振的应用核磁共振波谱是将核磁共振现象应用于分子结构测定的一项技术，与紫外光谱、红外光谱和质谱并称有机化学“四大名谱”，可以提供分子中化学官能团的数目和种类以及许多红外光谱无法提供的信息。目前对的研究主要集中在1H和13C两类原子核的图谱。核磁共振的应用核磁共振成像(MRI)技术通过识别水分子中氢原子信

号的分布来推测水分子在人体内

的分布，进而探测人体内部结构

的技术，是一种非介入探测技术。

对人体没有辐射影响，能够比超

声探测技术显示更多细节。核磁共振探测(MRS)技术MRI技术在地质勘探领域的延伸，通过对地层中水分布信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。已经成为传统的钻探探测技术的补充手段，并且应用于滑坡等地质灾害的预防工作中。由于交换作用，铁磁体中会形成磁畴，产生自发磁化。自发磁化是由于自旋向上与向下的电子数密度不相等，所以又叫自旋极化。利用自旋极化原理制作的器件不但可以利用磁场控制输出状态，还能实现电压和电流放大功能，表现出晶体管的特性。这种器件是由自选状态决定信息的传递与变化，称之为自旋晶体管。自旋晶体管不但可用作存储元件，还可组成逻辑电路和处理器，同时具有存储和运算功能。较之硅材料半导体原件，速度较慢，但具有功耗低、密度高、耐辐射、温度敏感性低和利用磁滞性质具有记忆功能等优点。材料磁化状态的变化会导致电阻值改变，称为磁电阻效应。1856年，W.Thomson首先在铁磁材料中发现各向异性磁电阻(AMR)效应；1979年，IBM利用AMR效应制备薄膜磁头，取代感应式磁头，提高磁盘记录密度数十倍；1988年法国物理学家费尔(A.Fert)和德国物理学家格林贝格(P.Grünberg)分别独立发现巨磁阻(GMR)效应（非常弱的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化），并共同获得2007年诺贝尔物理学奖；1997年，IBM制作出GMR效应磁头，再次将硬盘记录密度提高上百倍；目前，利用隧穿磁电阻(TMR)效应制作的读出磁头已实现了硬盘单张3.5英寸磁碟1TB容量的商业化应用。若建立当温度低于某值时仅仅是电阻为零、电导趋于无穷大的“理想导体”模型，则可发现，在外磁场作用下将理想导体降温至电阻为零的状态再撤去外磁场，则理想导体中仍保留同样大小的磁通量，这和超导体实验现象不符。完全抗磁性是超导体独立于电阻为零之外的基本特性！

超导态正常态BCS理论由巴丁(J.Bardeen)、库珀(L.Cooper)、施莱弗(J.Schrieffer)三人共同建立，三人因此共享1972年诺贝尔物理学奖。不同于以往从实验现象出发作出假定或建立模型的唯象理论，BCS理论从电子–声子相互作用出发，给出了描述超导电性的完整理论，回答了超导电性的来源和起因。BCS理论认为，金属中自旋和动量相反的电子可以借声子为媒介配对，形成所谓“库珀对”。在很低的温度下，这个库珀对的结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，也就没有电阻，形成所谓“超导”。常规超导元素、合金和化合物常规的元素、合金和化合物超导体的临界温度较低，大多需要液氦冷却条件，这就限制了其应用超导材料超导材料(Nb3Al)4Nb3Ge20.05NbN16.1Nb3Sn18