納米磁振子器件

納米磁振子器件是具有磁共振特性的納米器件。磁共振指的是自旋磁共振（spin magnetic resonance）現象。其意義上較廣，包含核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)、電子順磁共振（electron paramagnetic resonance, EPR）或稱電子自旋共振（electron spin resonance, ESR）

基本介紹

• 中文名：納米磁振子器件
• 外文名：Nanomaterials

發展

磁共振是在固體微觀量子理論和無線電微波電子學技用核磁共振現象製成的MR成像設備術發展的基礎上被發現的。1945年首先在順磁性Mn鹽的水溶液中觀測到順磁共振，第二年，又分別用吸收和感應的方法發現了石蠟和水中質子的核磁共振；用波導諧振腔方法發現了Fe、Co和Ni薄片的鐵磁共振。1950年在室溫附近觀測到固體Cr2O3的反鐵磁共振。1953年在半導體矽和鍺中觀測到電子和空穴的迴旋共振。1953年和1955年先後從理論上預言和實驗上觀測到亞鐵磁共振。隨後又發現了磁有序系統中高次模式的靜磁型共振（1957）和自旋波共振（1958）。1956年開始研究兩種磁共振耦合的磁雙共振現象。這些磁共振被發現後，便在物理、化學、生物等基礎學科和微波技術、量子電子學等新技術中得到了廣泛的套用。例如順磁固體量子放大器，各種鐵氧體微波器件，核磁共振譜分析技術和核磁共振成像技術及利用磁共振方法對順磁晶體的晶場和能級結構、半導體的能帶結構和生物分子結構等的研究。原子核和基本粒子的自旋、磁矩參數的測定也是以各種磁共振原理為基礎發展起來的。

磁共振成像技術由於其無輻射、解析度高等優點被廣泛的套用於臨床醫學與醫學研究。一些先進的設備製造商與研究人員一起，不斷最佳化磁共振掃瞄器的性能、開發新的組件。例如：德國西門子公司的1.5T超導磁共振掃瞄器具有神經成像組件、血管成像組件、心臟成像組件、體部成像組件、腫瘤程式組件、骨關節及兒童成像組件等。其具有高解析度、磁場均勻、掃描速度快、噪聲相對較小、多方位成像等優點。

原理

磁共振（迴旋共振除外）其經典唯象描述是：原子、電子及核都具有角動量，其磁矩與相應的角動量之比稱為磁旋比γ。磁矩M 在磁場B中受到轉矩MBsinθ（θ為M與B間夾角）的作用。此轉矩使磁矩繞磁場作進動運動，進動的角頻率ω=γB,ωo稱為拉莫爾頻率。由於阻尼作用，這一進動運動會很快衰減掉，即M達到與B平行，進動就停止。但是，若在磁場B的垂直方向再加一高頻磁場b（ω）（角頻率為ω），則b（ω）作用產生的轉矩使M離開B,與阻尼的作用相反。如果高頻磁場的角頻率與磁矩進動的拉莫爾（角）頻率相等ω =ωo,則b（ω）的作用最強，磁矩M的進動角（M與B角的夾角）也最大。這一現象即為磁共振。

磁共振也可用量子力學描述：恆定磁場B使磁自旋系統的基態能級劈裂，劈裂的能級稱為塞曼能級（見塞曼效應），當自旋量子數S=1/2時，其裂距墹E=gμBB,g為朗德因子,μ為玻爾磁子，e和me為電子的電荷和質量。外加垂直於B的高頻磁場b（ω）時，其光量子能量為啚ω。如果等於塞曼能級裂距，即ω=γB，則自旋系統將吸收這能量從低能級狀態躍遷到高能級狀態（激發態），這稱為磁塞曼能級間的共振躍遷。量子描述的磁共振條件ω=γB，與唯象描述的結果相同。

當M是順磁體中的原子（離子）磁矩時，這種磁共振就是順磁共振。當M是鐵磁體中的磁化強度（單位體積中的磁矩）時，這種磁共振就是鐵磁共振。當M=Mi是亞鐵磁體或反鐵磁體中第i個磁亞點陣的磁化強度時，這種磁共振就是由 i個耦合的磁亞點陣系統產生的亞鐵磁共振或反鐵磁共振。當M是物質中的核磁矩時，就是核磁共振。這幾種磁共振都是由自旋磁矩產生的，可以統一地用經典唯象的旋磁方程dM/dt=γMBsinθ[相應的矢量方程為d M/dt=γ（ M×B）來描述。

迴旋共振帶電粒子在恆定磁場中產生的共振現象。設電荷為q、質量為m的帶電粒子在恆定磁場B中運動，其運動速度為v。當磁場B與速度v相互垂直時，則帶電粒子會受到磁場產生的洛倫茲力作用，使帶電粒子以速度v繞著磁場B旋轉，旋轉的角頻率稱為迴旋角頻率。如果在垂直B的平面內加上高頻電場E（ω）（ω為電場的角頻率），並且ω=ωc，則這帶電粒子將周期性地受到電場E（ω）的加速作用。因為這與回旋加速器的作用相似，故稱迴旋共振。又因為不加高頻電場時，這與抗磁性相類似，故亦稱抗磁共振。當v垂直於B時，描述這種共振運動的方程是d（mv）/dt=q（vB）。