中子散射技术在功能性材料中的应用

中子散射技术能够有效探测物质微观尺度的特性,尤其是在磁性探测方面具有独特的优势,因而在科学研究方面应用越来越广泛。文章结合作者的研究领域,介绍了中子散射技术在研究一些功能性材料中的应用及成果。包括铁电材料BiFeO3中自旋,声子的激发谱,热电材料PeTe中声子特殊的动态行为,以及磁性材料Mn1-xCoxV2O4中自旋波的特性,并分析了材料中自旋、电子、晶格、轨道的相互耦合作用。     

关联电子体系中电子和磁的拉曼散射

周期结构的晶格振动和分子的振动或转动谱,可以看作材料的特征指纹,拉曼散射正是探测这些振动的非常灵敏和有效的技术,因此它已经被广泛地应用到基础研究和工业生产的各个方面.而原则上,通过固体中的自由载流子或自旋与光的非弹性散射过程,人们也可以获得关于电子和磁激发的重要信息.文章对电子和磁的拉曼散射基本概念作了简要介绍,并对一些关联电子体系中的拉曼实验作了简要综述.特别是在非常规超导中,拉曼散射在确定超导能隙的大小和各向异性以及配对对称性等方面发挥了独特的作用.     

非弹性中子散射谱仪

非弹性中子散射是利用中子与材料晶格或自旋散射发生能量和动量交换来测量材料动力学性质的实验技术.非弹性中子散射谱仪可以直接测量声子谱、自旋波、晶体场等性质,且能量和动量分辨率高,在物理、材料、化学、生物等领域有广泛应用,是前沿科学研究中重要的实验仪器.本文概述了非弹性中子散射的发展过程、基本理论、散射谱仪及应用范例.     

中子散射技术及其应用

热中子的波长和凝聚态物质的原子／分子间距具有相同的量级，而其能量又和原子／分子的热运动能量相近．因此，利用热中子的弹性和非弹性散射效应，可以从微观层次上获取物质的结构和动力学知识。目前，中子散射技术在物理、化学、化工、生物和材料科学等研究领域的应用已经获得了许多用其他方法无法得到的知识，文章介绍了中子散射的基本原理和特点，并列举了中子散射技术在相关研究领域中的典型应用     

磁体“沙漠”中的月牙泉——量子自旋液体

当温度趋于零时,如果阻挫自旋系统不呈现长程磁序也不破缺晶格对称性,而且其低能物理性质表现出分数化的量子特征,这种状态称为量子自旋液体态。量子自旋液体随着高温超导的发现而被大量研究,它超越了朗道对称自发破缺的理论框架,并促进了拓扑序理论的发展,其分类理论是以投影对称群为代表的现代数学工具。量子自旋液体中的元激发是分数化的自旋子和演生规范场的光子或量子化磁通,有能隙的量子自旋液体可应用于拓扑量子计算。研究量子自旋液体的理论工具还包括严格可解格点模型、各种不同的数值计算方法和量子场论等。实验上,三角晶格、笼目晶格、六角晶格甚至三维格点系统中的量子自旋液体候选材料相继被发现和深入研究,探测手段包括核磁共振、中子散射、热输运等,调控方法包括高磁场、高压强等。确切的量子自旋液体材料的寻找仍在持续进行中,近些年发展尤其迅速。中国研究人员做出了很多努力,并在部分方向上逐步开始起引领作用。量子自旋液体是一个充满困难和挑战的研究领域,也是一个充满魅力和活力的领域。     

可能已经看到LaMnO3中的轨道子

一团由无规运动分子组成的气体 ,被认为具有完善的对称性 ,因为无论从哪个角度看它都是一样的 .当温度降低 ,气体凝成液体 ,进而形成固体 ,情况就不同了 .固体中的原子“手拉手”地排列起来 ,产生某种有序 ,用专业术语来说 ,叫做“对称破缺” .有序不仅涉及原子空间位置的排列 ,它还可能涉及磁自旋的取向以及电荷分布等 ,后两者分别对应磁有序和电荷有序 .在固体物理中 ,有序背景的挠动被称为“元激发” .例如 ,相对于Ｔ =0Ｋ的背景 ,晶格振动导致“声子”激发 ;相对于超导基态 ,库珀对的拆散导致“单电子”激发 ;相对于磁有序背景 ,磁自旋…     

非常规超导体的中子散射研究

非常规超导机理仍然是一个未解之谜,它是凝聚态物理研究的重要课题。非常规超导电性大多发生在磁不稳态附近,所以确定非常规超导体的磁结构和磁激发行为对理解其超导机制非常关键。中子带有磁矩,是探测超导体磁性的有力工具。文章将以本课题组近年来开展的工作为例,介绍几种中子散射技术在研究非常规超导体的晶体结构和磁关联行为以及超导配对对称性方面的应用。     

高温超导体的磁激发:探寻不同体系铜氧化合物的共同特征

文章回顾了中子散射在高温超导铜氧化合物磁激发研究中的最新进展．自从铜氧化合物在20年前被发现以后，理解它们超导电性的微观来源一直是凝聚态物理中的核心课题．在传统超导体中，使得电子成对形成超导态的相互作用是以晶格振动（声子）为媒介的、而对于铜氧化合物的超导机理，人们通常认为磁激发可能起到根本的作用，因为超导电性是在可移动的“电子”或“空穴”掺杂到反铁磁母体化合物之后才发生的．文章总结了过去20年来利用非弹性中子散射研究磁激发的关键结果和现状，并指出了将来可能的研究方向．     

基于相对论Hartree-Fock理论的原子核壳结构性质研究

一直以来,原子核壳结构是原子核物理研究的重点关注内容。特别是随着近年来新一代放射性核束装置和探测技术的蓬勃发展,丰中子原子核中新的壳结构及其演化与形成机制等成为核物理关注的热点之一。在基于核力介子交换图像建立的相对论Hartree-Fock 理论框架下,本工作以Ca同位素、双幻核 208Pb、超重核以及极端丰中子核为例,综述丰中子原子核中新的壳结构形成机制,高角动量态赝自旋对称性恢复与介质中核力吸引-排斥平衡,赝自旋对称性恢复/破缺与原子核壳结构、新奇现象等研究工作,并着重关注了与原子核新壳结构形成、赝自旋对称性恢复以及新奇现象等密切相关的交换(Fock)项效应。     

物质动态结构的非弹性散射研究

在静态结构的基础上 ,考虑原子的振动 ,分子键的振动、转动和振—转运动的结构称为动态结构 ,它是用非弹性散射方法来测定的。本文评述研究动态结构的实验方法 :中子非弹性散射、非弹性X射线散射、核非弹性散射和Raman散射以及红外吸收谱。简单介绍了声子散射理论基础。继后 ,分三节描述了用这些方法来研究动态结构的若干结果。 1 )结晶物质 ,包括晶内、表面和界面、高纯近完整晶体中杂质引起的、多晶中、薄膜和纳米晶体中的点阵动力学研究 ;2 )非晶物质 ,包括非晶固体、高聚合物、生物大分子、准晶和液体的动态结构研究 ;3 )高温超导体的点阵动力学研究。文末给出了小结和最后评论。     

物性的光散射研究

一、光散射原理和提供的物性信息 一束射入物质的光,就是一根探针.当光再从物质中走出时,便携带了有关物质的各种信息.折射、反射、吸收等常规光测量,提供了关于物质的许多宏观信息.然而,最丰富的更深层次的信息,是光与物质发生非弹性散射时携带出来的[1].从粒子碰撞的角度最容易理解光散射的原理.光束由光子组成,光子具有能量ω、动量K,当它进入物质时,就和物质中激发的量子──元激发(准粒子)发生碰撞,进行能量和动量的交换.大量研究已经使人们确信,物质中存在着许多种元激发,例如物质中原子的热振动就是一种最常见的元激发,它可以用声波…     

封面故事

打破超导体里的库珀对的磁激发在超导能隙附近生成一对博戈留波夫准粒子.当库珀对的对称性要求轨道波函数在费米面上改变符号时,对应于库珀对里电子的相对动量处的磁激发强度趋于发散,形成非常规超导体磁激发谱的所谓自旋共振峰．磁激发谱可由非弹性中子散射实验直接观测．     

物质动态结构的非弹性散射研究

在静态结构的基础上，考虑原子的振动，分子键的振动、转动和振－振运动的结构称为动态结构，它是用非弹性散射方法来测定的。本文评述研究动态结构的实验方法：中子非弹性散射，非弹性X射线散射、核非弹性散射和Raman散射以及红外吸收谱。简单介绍了声子散射理论基础，继后，分三节描述了用这些方法来研究动态结构的若干结果。1）结晶物质，包括晶内，表面和界面，高纯近完整晶体中杂质引起的，多晶中、薄膜和纳米晶体中的点阵动力学研究；2）非晶物质，包括非晶固体，高聚合物，生物大分子，准晶和液体的动态结构研究；3）高温超导体的点阵动力学研究，文末给出了小结和最后评论。     

高温超导体中的短程反铁磁自旋关联

传统超导体具有大的相干长度 ,借助于由隧穿测量给出的电流 -电压关系 ,可以反演出电声子相互作用的谱密度α2 Ｆ(ω) .对于高温超导体来说 ,情况完全不同 ,它的相干长度很短 ,为要研究其中的相互作用谱密度 ,最好的办法是采用红外光反射率测量或进行中子非弹性散射实验 .最近 ,美国橡树岭 (ＯａｋＲｉｄｇｅ)国家实验室的Ｐ .Ｃ .Ｄａｉ等 ,对ＹＢａ2 Ｃｕ3Ｏ6 ｘ(ＹＢＣＯ)系列样品 ,给出了中子非弹性散射研究的新数据 .结果表明 ,短程反铁磁自旋关联 ,在超导形成中起着重要的作用 .中子散射与Ｘ射线散射的区别主要在于 :Ｘ射线散射的强…     

SOS: 对称操作相似原理

凝聚态物理学往往为对称性所支配。自发对称性破缺将导致相变,而且许多可观测量或物 理现象都与破缺的对称性有关,如铁电极化、铁磁磁化、旋光性（包括法拉第旋转和磁光克尔旋 转）、二次谐波发生、光伏效应、非互易性、霍尔效应型输运以及多铁性。在这里,我们提出以 下观点：从对称性破缺的角度来看,当构成量（如自旋排列、晶格畸变,或处于外场以及其他环 境中等）或测量方式（如光学探测,或处于不同极性态中电子和其它粒子探测,或对体极化[磁 化] 等的测量）遵循对称操作相似(symmetry operational similarity, SOS) 原理时,我们便可以 观测到某些特定的物理现象。这种SOS原理提供了一种在复杂材料中用简洁而清晰的物理图像描 述非直观物理现象的途径。反之,也可以用于甄别具有潜在需求特性的新材料,或发现已知材料 中新的物理现象。     

声子角动量与手性声子

在经典的物理学理论中,声子广泛地被认为是线极化的、不具有角动量的.最近的理论研究发现,在具有自旋声子相互作用的磁性体系(时间反演对称性破缺)中,声子可以携带非零的角动量,在零温时声子除了具有零点能以外还带有零点角动量;非零的声子角动量将会修正通过爱因斯坦-德哈斯效应测量的回磁比.在非磁性材料中,总的声子角动量为零,但是在空间反演对称性破缺的六角晶格体系中,其倒格子空间的高对称点上声子具有角动量,并具有确定的手性;三重旋转对称操作给予声子量子化的赝角动量,赝角动量的守恒将决定电子谷间散射的选择定则;此外还理论预测了谷声子霍尔效应.     

强相互作用系统的对称性及其破缺

本文简要介绍对称性及其破缺的概念和基本的数学上所说的幺正对称性等的微观粒子实现,从而为利用抽象的数学描述物理问题奠定基础。本文还简要介绍早期宇宙强相互作用物质演化过程的对称性及其破缺,尤其是可见物质质量的产生(比如DCSB)以及强相互作用等基本相互作用的规范对称性和破缺,为有意向探讨早期宇宙强相互作用物质演化的青年学者和研究生提供必要的知识储备,并打开一扇窗口。同时,还简要讨论原子核的对称性及其破缺,尤其是作为强相互作用多体系统的束缚态研究中的基本理论方法、(多粒子)壳模型及相互作用玻色子近似模型(IBM)、集体运动的描述及集体运动模式演化(形状相变)的研究方法及进展简况,提供一些在基本理论方法与前沿研究课题之间建立桥梁的实例。     

π在振动核上的散射

我们利用光学势计算了π与振动核的弹性和非弹性散射的角分布. 通过π⁺和π^－散射的比较探讨了中子和质子跃迁密度. 并且, 讨论了振动核低能级的虚激发对散射微分截面的影响.     

Rashba效应和Zeeman效应对各向异性量子点中束缚磁极化子性质的影响

采用Pekar变分法和幺正变换相结合的方法研究了各向异性量子点中束缚磁极化子的Rashba效应和Zeeman效应.通过理论推导,得到束缚磁极化子基态能量的表达式.讨论了极化子基态能量与横向有效受限长度、纵向有效受限长度、磁场回旋共振频率、库仑束缚势的关系.由于晶体结构反演非对称性和时间反演非对称性,极化子能量发生Rashba自旋轨道分裂和Zeeman分裂.在强、弱磁场下,分别讨论了Zeeman效应和Rashba效应在能量分裂中所占的主导地位.由于声子和杂质的存在,极化子比裸电子态更稳定.     

质子和中子在硅中位移损伤等效性计算

基于蒙特卡罗软件Geant4,探讨质子与硅的库仑散射和核反应及中子与硅的核反应产生反冲原子沉积非电离能量的过程,建立质子和中子在硅中的非电离能量阻止本领计算方法。在此方法中,描述了原子间库仑散射的物理过程,模拟带电粒子与晶格原子之间的屏蔽库仑散射。计算得到不同能量质子和中子在硅中因库仑散射和核反应产生反冲原子的非电离能量沉积及阻止本领的等效性,计算结果与中子ASTM标准及文献计算得到的质子数据符合很好。