磁共振-發(fā)展簡史

       磁共振是在固體微觀量子理論和無線電微波電子學(xué)技術(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，**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-具體分類
具有不同磁性的物質(zhì)在一定條件下都可能出現(xiàn)不同的磁共振。下面列出物質(zhì)的各種磁性及相應(yīng)的磁共振：

　　
各種磁共振既有共性又有特性。其共性表現(xiàn)在基本原理可以統(tǒng)一地唯象描述，而特性則表現(xiàn)在各種共振有其產(chǎn)生的特定條件和不同的微觀機制?；匦舱駚碜暂d流子在軌道磁能級之間的躍遷，其激發(fā)場為與恒定磁場相垂直的高頻電場，而其他來自自旋磁共振的激發(fā)場為高頻磁場。核磁矩比電子磁矩約小三個數(shù)量級，故核磁共振的頻系和靈敏度都比電子磁共振的低得多。弱磁性物質(zhì)的磁矩遠(yuǎn)低于強磁性物質(zhì)的磁矩，故弱磁共振的靈敏度又比強磁共振低，但強磁共振卻必須考慮強磁矩引起的退磁場所造成的影響。
　　
下面分別介紹幾種主要的磁共振。
　　
鐵磁共振 　鐵磁體中原子磁矩間的交換作用使這些原子磁矩在每個磁疇中自發(fā)地平行排列。一般，在鐵磁共振情況下,外加恒定磁場已使鐵磁體飽和磁化,即參與鐵磁共振進動運動的是彼此平行的原子磁矩（飽和磁化強度M_s）。鐵磁共振的這一特點引起的主要效應(yīng)是：鐵磁體的退磁場成為影響共振的一項重要因素，因此必須考慮共振樣品形狀的影響；鐵磁體內(nèi)交換作用場與磁矩平行，磁轉(zhuǎn)矩為零，故對共振無影響；鐵磁體內(nèi)磁晶各向異性對共振有影響，可看作在磁矩附近的易磁化方向存在磁晶各向異性有效場。在特殊情況下，例如當(dāng)高頻磁場不均勻時，會激發(fā)鐵磁耦合磁矩系統(tǒng)的多種進動模式，即各原子磁矩的進動幅度和相位不相同的非一致進動模式，稱為非一致(鐵磁)共振。當(dāng)非一致進動的相鄰原子磁矩間的交換作用可忽略，樣品線度又小到使傳播效應(yīng)可忽略時，這樣的非一致共振稱為靜磁型共振。當(dāng)非一致進動的相鄰原子磁矩間的交換作用不能忽略（如金屬薄膜中）時,這樣的非一致共振稱為自旋波共振;當(dāng)高頻磁場強度超過閾值，使共振曲線和參數(shù)與高頻磁場強度有關(guān)時，稱為非線性鐵磁共振。鐵磁共振是研究鐵磁體中動態(tài)過程和測量磁性參量的重要方法，也是微波磁器件（如鐵氧體的隔離器、環(huán)行器和相移器）的物理基礎(chǔ)。
　　
亞鐵磁共振 　亞鐵磁體是包含有兩個或更多個不等效的磁亞點陣的磁有序材料，亞鐵磁共振是亞鐵磁體在居里點以下的磁共振。在宏觀磁性上，通常亞鐵磁體與鐵磁體有許多相似的地方，亞鐵磁共振與鐵磁共振也有許多相似的地方。因此，習(xí)慣上常把一般亞鐵磁共振也稱為鐵磁共振。但在微觀結(jié)構(gòu)上，含有多個磁亞點陣的亞鐵磁體與只有一個磁點陣的鐵磁體有顯著的差別。這差別會反映到亞鐵磁共振的一些特點上。這些特點是由多個交換作用強耦合的磁亞點陣中磁矩的復(fù)雜進動運動產(chǎn)生的，主要表現(xiàn)在：有兩種類型的磁共振，即共振不受交換作用影響的鐵磁型共振和共振主要由交換作用決定的交換型共振，在兩個磁亞點陣的磁矩互相抵消或動量矩相互抵消的抵消點附近,共振參量（如g因子共振線寬等）出現(xiàn)反常的變化，在磁矩和動量矩兩抵消點之間，法拉第旋轉(zhuǎn)反向。這些特點都已在實驗上觀測到。亞鐵磁共振的應(yīng)用基本同鐵磁共振的一樣，其差別僅在應(yīng)用上述亞鐵磁共振的特點（如g因子的反常增大或減小,法拉第旋轉(zhuǎn)反向等）時才表現(xiàn)出來。
　　
反鐵磁共振 　反鐵磁體是包含兩個晶體學(xué)上等效的磁亞點陣且磁矩互相抵消的序磁材料，反鐵磁共振是反鐵磁體在奈耳溫度以下的磁共振。它是由交換作用強耦合的兩個磁亞點陣中磁矩的復(fù)雜進動運動產(chǎn)生的共振現(xiàn)象。在反鐵磁共振中，有效恒定磁場包括反鐵磁體內(nèi)的交換場B_E和磁晶各向異性場B_A。在不加外恒定磁場而只加適當(dāng)高頻磁場時，可觀測到簡并的反鐵磁共振，其共振角頻率稱為自然反鐵磁共振;當(dāng)施加外恒定磁場B時,可觀測到兩支非簡并的反鐵磁共振，其共振角頻率。一般反鐵磁體的B_E和B_A都較高，反鐵磁共振發(fā)生在毫米或亞毫米波段。目前除應(yīng)用于基礎(chǔ)研究外，可利用其強內(nèi)場作毫米波段或更高頻段的隔離器等非互易磁器件。
　　
順磁共振 　具有未抵消的電子磁矩（自旋）的磁無序系統(tǒng)，在一定的恒定磁場和高頻磁場同時作用下產(chǎn)生的磁共振。若未抵消的電子磁矩來源于未滿充的內(nèi)電子殼層(如鐵族原子的3d殼層、稀土族原子的4f殼層)，則一般稱為（狹義的）順磁共振。若未抵消的電子磁矩來源于外層電子或共有化電子的未配對自旋［如半導(dǎo)體和金屬中的導(dǎo)電電子、有機物的自由基、晶體缺陷（如位錯）和輻照損傷（如色心）等］產(chǎn)生的未配對電子，則常稱為電子自旋共振。順磁共振是由順磁物質(zhì)基態(tài)塞曼能級間的躍遷引起的，其靈敏度遠(yuǎn)不如強磁體的磁共振高。如果在非順磁體（某些生物分子）中加入含有自由基的分子（稱為自旋標(biāo)記），則也可在原來是抗磁性的物質(zhì)中觀測到自旋標(biāo)記的順磁共振。目前順磁共振技術(shù)已較廣泛地應(yīng)用于各種含順磁性原子（離子）和含未配對電子自旋的固體研究。既可研究固體的基態(tài)能譜，又可研究固體中的相變、弛豫和缺陷等的動力學(xué)過程。微波固體量子放大器也是在固體順磁共振研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。
　　
回旋共振 　亦稱抗磁共振。固體中的載流子（電子及空穴）和等離子體以及電離氣體在恒定磁場B和橫向高頻電場E(ω)的同時作用下,當(dāng)高頻電場的頻率ω與帶電粒子的回旋頻率相等,ω=ω_c，這些帶電粒子碰撞弛豫時間τ遠(yuǎn)大于高頻電場周期，即τ≥1/ω時，便可觀測到帶電粒子的回旋共振。因此，回旋共振常是在高純、低溫（τ大）和強磁場(ω_c高)、高頻率的條件下進行觀測，其顯著特征是在各向同性介質(zhì)中,介電常數(shù)ε和電導(dǎo)率σ成為張量,稱為旋電性。這與其他的磁矩(自旋)系統(tǒng)的磁共振中磁導(dǎo)率μ為張量（稱為旋磁性）不相同。此外，在電離分子中還可觀測到各種帶電離子的回旋共振──離子回旋共振。目前回旋共振主要應(yīng)用于半導(dǎo)體和金屬的能帶結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量等的研究，也是實現(xiàn)研究旋電器件（如半導(dǎo)體隔離器）、微波參量放大器、負(fù)質(zhì)量放大器、毫米波激射器和紅外激光器的物理基礎(chǔ)。
　　

核磁共振 　元素周期表中絕大多數(shù)元素都有核自旋和核磁矩不為零的同位素。這些核在恒定磁場B和橫向高頻磁場b_o(ω)的同時作用下,在滿足ω_N=γ_NB的條件下會產(chǎn)生核磁共振（γ_N為核磁旋比）,也可在恒定磁場B突然改變方向時,產(chǎn)生頻率為ω_o=γB、振幅隨時間衰減的核自由進動，它在某些方面與核磁共振有相似之處。在固體中，核受到外加場B_e和內(nèi)場B_i的作用，使共振譜線產(chǎn)生微小的移位(約0.1％～1％)，在金屬中稱為奈特移位，在一般化合物中稱為化學(xué)移位，在序磁材料中由于核外電子的極化會產(chǎn)生約10～10³T的內(nèi)場，稱為超精細(xì)作用場。這些移位和內(nèi)場反映核周圍化學(xué)環(huán)境（指電子組態(tài)和原子分布等）的影響。研究核磁共振中的能量交換和轉(zhuǎn)移的弛豫過程，包括核自旋－自旋弛豫和核自旋－點陣弛豫兩種過程，也反映化學(xué)環(huán)境的影響。因此，核磁共振起著探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的微探針作用。目前，核磁共振已成為研究各種固體（包括無機、有機和生物大分子材料）的結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、相變和化學(xué)反應(yīng)等過程的重要方法。新發(fā)展的核磁共振成像技術(shù)不但與超聲成像和X射線層析照相有相似的功能,而且還可能顯示化學(xué)元素和弛豫時間的分布。
　　

磁雙共振 　固體中有兩種或更多互相耦合的基團或磁共振系統(tǒng)時，一種基團或系統(tǒng)的磁共振可以影響另一種基團或系統(tǒng)的磁共振，因而可以利用其中的一種磁共振來探測另一種磁共振，稱為磁雙共振。例如可利用同一物質(zhì)中的一種核的核磁共振來影響和探測另一種核的核磁共振,稱為核－核磁雙共振;可以用同一物質(zhì)中的核磁共振來影響和探測電子自旋共振，稱為電子－核磁雙共振；也可利用光泵技術(shù)來探測其他磁共振（如核磁共振或順磁共振），稱為光磁雙共振或光測磁共振。