[科普中國]-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(xiàn)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）

發(fā)展磁共振是在固體微觀量子理論和無線電微波電子學(xué)技用核磁共振現(xiàn)象制成的MR成像設(shè)備術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上被發(fā)現(xiàn)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(yīng)的方法發(fā)現(xiàn)了石蠟和水中質(zhì)子的核磁共振；用波導(dǎo)諧振腔方法發(fā)現(xiàn)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(dǎo)體硅和鍺中觀測到電子和空穴的回旋共振。1953年和1955年先后從理論上預(yù)言和實驗上觀測到亞鐵磁共振。隨后又發(fā)現(xiàn)了磁有序系統(tǒng)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(xiàn)象。這些磁共振被發(fā)現(xiàn)后，便在物理、化學(xué)、生物等基礎(chǔ)學(xué)科和微波技術(shù)、量子電子學(xué)等新技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)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(shù)和核磁共振成像技術(shù)及利用磁共振方法對順磁晶體的晶場和能級結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和生物分子結(jié)構(gòu)等的研究。原子核和基本粒子的自旋、磁矩參數(shù)的測定也是以各種磁共振原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。

磁共振成像技術(shù)由于其無輻射、分辨率高等優(yōu)點被廣泛的應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)研究。一些先進(jìn)的設(shè)備制造商與研究人員一起，不斷優(yōu)化磁共振掃描儀的性能、開發(fā)新的組件。例如：德國西門子公司的1.5T超導(dǎo)磁共振掃描儀具有神經(jīng)成像組件、血管成像組件、心臟成像組件、體部成像組件、腫瘤程序組件、骨關(guān)節(jié)及兒童成像組件等。其具有高分辨率、磁場均勻、掃描速度快、噪聲相對較小、多方位成像等優(yōu)點。1

原理磁共振（回旋共振除外）其經(jīng)典唯象描述是：原子、電子及核都具有角動量，其磁矩與相應(yīng)的角動量之比稱為磁旋比γ。磁矩M 在磁場B中受到轉(zhuǎn)矩MBsinθ（θ為M與B間夾角）的作用。此轉(zhuǎn)矩使磁矩繞磁場作進(jìn)動運動，進(jìn)動的角頻率ω=γB,ωo稱為拉莫爾頻率。由于阻尼作用，這一進(jìn)動運動會很快衰減掉，即M達(dá)到與B平行，進(jìn)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(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(jìn)動的拉莫爾（角）頻率相等ω =ωo,則b（ω）的作用最強(qiáng)，磁矩M的進(jìn)動角（M與B角的夾角）也最大。這一現(xiàn)象即為磁共振。

磁共振也可用量子力學(xué)描述：恒定磁場B使磁自旋系統(tǒng)的基態(tài)能級劈裂，劈裂的能級稱為塞曼能級（見塞曼效應(yīng)），當(dāng)自旋量子數(shù)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(zhì)量。外加垂直于B的高頻磁場b（ω）時，其光量子能量為啚ω。如果等于塞曼能級裂距，即ω=γB，則自旋系統(tǒng)將吸收這能量從低能級狀態(tài)躍遷到高能級狀態(tài)（激發(fā)態(tài)），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(jié)果相同。

當(dāng)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(dāng)M是鐵磁體中的磁化強(qiáng)度（單位體積中的磁矩）時，這種磁共振就是鐵磁共振。當(dāng)M=Mi是亞鐵磁體或反鐵磁體中第i個磁亞點陣的磁化強(qiáng)度時，這種磁共振就是由 i個耦合的磁亞點陣系統(tǒng)產(chǎn)生的亞鐵磁共振或反鐵磁共振。當(dāng)M是物質(zhì)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(chǎn)生的，可以統(tǒng)一地用經(jīng)典唯象的旋磁方程dM/dt=γMBsinθ[相應(yīng)的矢量方程為d M/dt=γ（ M×B）來描述。2

回旋共振帶電粒子在恒定磁場中產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。設(shè)電荷為q、質(zhì)量為m的帶電粒子在恒定磁場B中運動，其運動速度為v。當(dāng)磁場B與速度v相互垂直時，則帶電粒子會受到磁場產(chǎn)生的洛倫茲力作用，使帶電粒子以速度v繞著磁場B旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角頻率稱為回旋角頻率。如果在垂直B的平面內(nèi)加上高頻電場E（ω）（ω為電場的角頻率），并且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，故稱回旋共振。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(dāng)v垂直于B時，描述這種共振運動的方程是d（mv）/dt=q（vB）。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

黃倫先 - 副教授 - 西南大學(xué)