量子材料的自旋動力學虛擬仿真實驗是北京師範大學建設的虛擬仿真實驗課程。
基本介紹
- 中文名：量子材料的自旋動力學虛擬仿真實驗
- 建設院校： 北京師範大學
- 課程負責人： 王引書
- 授課教師：房愛芳、弓文平、魯興業、何琛娟
課程性質,教學目標,
課程性質
課程背景
本課程實驗以北京師範大學物理學系凝聚態物理二級學科的研究內容為依託,聚焦前沿量子材料中的自旋動力學過程,以中子為探測手段,將難以在常規實驗室開展的、依賴國家緊缺大科學裝置進行的超低溫磁相互作用的前沿研究內容、研究方法和研究理念通過虛擬仿真實驗引入教學;採用三維仿真技術再現了真實的實驗操作及環境,將基礎知識、前沿研究內容、高端實驗技術和實驗安全規範有機結合,提高學生解決綜合、複雜問題的能力和一絲不苟的科學態度。
本實驗設定了“預習與學習” 和”實驗與考核”兩大模組的內容,實驗的整體構架如圖1所示。首先,學生通過“預習與學習”模組所提供的豐富輔助資源進行預習與學習，掌握真空、 低溫的獲取技術及測量方法，了 解中子散射技術的原理及其在材料性能分析中的套用;之後，學生在“實驗與考核” 模組中,從固體物理實驗中選擇一-個進行實驗 ,學習中子彈性散射和非彈性散射研究問題的方法和思路。類比格波的物理模型和聲子譜的測量方法,構建量子材料自旋動力學的物理圖像，掌握相關實驗的研究原理和方法 ,為量子材料微觀過程的研究奠定基礎;最後,學生從量子材料的自旋動力學實驗中選擇一個感興趣的主 題進行實驗,學習量子材料自旋動力學的微觀過程及研究方法。
教學目標
通過本實驗要達到的教學目標如下:
1.學習利用中子源平台研究材料微觀過程的方法，掌握 極端測試條件的獲取技術及在高危環境中開展實驗的規範操作。
2通過金剛石聲子譜或氧化錳磁結構測量實驗,掌握中子彈性和非彈性散射實驗研究的方法 ,理解固體中的微觀粒子的相互作用機理,類比原子核的振動理解自旋的漲落特性。
3.通過量子材料中自旋共振模式、自旋波譜或磁激發譜測量實驗,學習前沿研究的量子材料的自旋動力學的研究方法和思路。
4.學習在國家緊缺的大科學裝置上進行先進、複雜科學實驗研究的方法，了解實驗前期準備中的複雜過程和嚴格要求,提高學生解決綜台複雜問題的能力和一絲不苟的嚴謹科學態度。
通過上述實驗教學目標,可以使得:
1.學生在知識體系上將更加寬廣和系統化
(1)可以將晶體結構、晶格和電子的運動及相互作用與固體巨觀性質建立更為系統的關聯。
(2)了解材料中電子自旋動力學過程的知識,包括自旋共振、自旋波或磁激發等相關的理論知識,拓展現有知識的體系,理解熱效應對材料微觀結構和性能的影響。
(3)掌握中子彈性散射、非彈性散射的原理及微觀粒子相互作用的機理,學會利用中子與電子、晶格的相互作用分析材料微觀結構和性能的方法。
2.學生在實驗方案的設計及綜合研究問題、分析問題和解決問題的能力得到提升
本課程實驗是一個複雜的實驗項目, 實驗在物理 上涉及材料的特性及其隨測量溫度的演變特徵、中子彈性散射或非彈性散射模式涉及的不同相互作用機理、入射中子的能量對電子自旋動力學特性測量的影響等;在實驗技術上涉及中子的單色化和探測、低溫的獲取與測量、真空環境的獲取與測量、實驗氣氛的獲取和要求及其涉及的物理過程;在研究方法上涉及粗略測量和精準測量相結合、實驗結果與理論模擬的結合、微弱測量信號的處理方法等，其中任何- 一個環節的缺失考慮將會影響實驗的結果,任何-一個環節的內容都涉及豐富的物理內容。
通過本實驗,學生學會在實驗研究中如何綜合套用理論知識、實驗方法和實驗技巧,在充分利用有限的寶貴資源的同時,需要具有一絲不苟的嚴謹科學態度;在精準設計和調控實驗條件的同時，需要綜合考慮 ,充分利用有限的資源計畫的工作,綜合分析實驗結果。相信實驗之後,學生的綜合能力會得到提升,有助於學生畢業後從事凝聚態物理、材料科學和核技術套用等方面的科學研究 ,或快速適應高難度、綜合複雜的工作,為畢業生成長為高層次人才奠定重要的基礎。
