基于自旋回波探测的地面磁共振T2谱正反演策略

作为新兴地球物理方法之一,地面磁共振技术具有直接探测优势.但由于其发展时间较短,相关建模及反演方法介绍较少,传统的自由感应衰减探测方法不仅精度有限,且适应性较差.近年来,应用自旋回波信号直接探测横向弛豫时间是地面磁共振领域的研究热点.本文推导了其灵敏度核函数及正演公式,引入线性空间反演方案,即通过奇异值分解将含噪自旋回波信号由时间域变换至空间域.为避免矩阵病态问题,采用奇异值滤波法抑制分解病态程度,并联合同时迭代重建技术进一步提升空间域矩阵求解精度.结合非线性拟合对空间域矩阵参数进行提取,实现含水层对应含水量、横向弛豫时间的有效估计.通过模拟野外实验并进行数据解释,证实了该方案能够有效降低浅层含水量至1.5%,横向弛豫时间估测误差至0.02 s.本文的研究成果,将为地面横向弛豫时间探测及相关理论发展及方法在水文地质调查方面的推广应用提供有力支撑.     

自旋催化剂-量子触发化学反应

当初始态和过渡态之间存在能量差时,通常会考虑用催化的方法来增加反应速率,即经由能量更低过渡态的反应路径,或增加反应物初始态能量,如改变溶剂或在特殊表面吸附分子。然而,对于某些类型的反应,如H2和O2反应生成水, NO的氧化等,仅仅采用这些方法还不够,因为反应物和产物具有不同的自旋态,而自旋守恒定律一般会禁止该过程的发生。即使克服了能垒,该体系也不能转化成稳定的产物,且不改变其电子自旋多重态。但在特殊的非热力学条件下,该类反应仍可发生。这通常指自旋不守恒的过程。改变体系电子自旋最直接的方法是与原子核自旋有作用的电子自旋翻转。它可由自旋-轨道耦合来实现,因此,其实现的几率取决于元素的原子数。从3d金属开始,发生这种情况的可能性甚至更大。这是由于与d轨道耦合的效率更高所致,所以采用自旋交叉就能方便地解释自旋禁止反应发生的原因。然而,轻原子发生自旋翻转的可能性很低,因此,当面对无金属化学时,我们应该考虑自旋禁止反应发生的第二个方法—自旋催化。通过帮助克服自旋禁止的物质以促进化学反应,或通过顺磁催化剂诱导自旋解耦以降低活化能垒,这类现象就可定义为自旋催化。简而言之,为了得到想要的和热力学更有利的自旋态,一个反应粒子可以与自旋催化剂交换磁矩;该自旋催化剂需有拟自旋-简并基态或低激发态。因此,体系整个的自旋仍守恒,但可发生反应。值得强调的是,自旋“催化剂”指的是分子状态和固体状态,通常后者应用于工业中则方便得多。自旋催化是作为自旋化学的范例来研究的,或在外磁场中化学诱导动态核极化和反应,主要是指采用EPR光谱研究以液相为主的过程。本文简略介绍了自旋催化的理论。实际上,自旋催化与常规催化之间并不相互抵触—相同的材料既可作为自旋催化剂,也可用作常规催化剂,都起着降低反应能垒和提供自旋交换的自由基中心的作用。另外,许多现代材料包含着常规催化剂和自旋催化剂的特性。有些发生在多核磁性金属中心上的过程可能本身就包含着常规催化(活化底物)、自旋交叉(与d金属相互作用)和自旋催化(金属-氧簇合物中低能的铁磁-反铁磁转化)效应。气相自旋催化在实际应用中产生的主要问题是在稀释的体系中三粒子碰撞几率低,常规催化在这方面则有很多优势。我们首先列出固体成为自旋催化剂的条件：(1)活性中心中至少2个自旋态的能量差要小于反应温度下热运动的能量,这样无需额外的能量活化催化剂;(2)较大的比表面积以提供更多的自旋中心用于相互作用;(3)最好能够自旋导电,在此情况下反应无需三粒子碰撞即可发生。这是因为自由基可通过催化剂的电子系统交换自旋,使得自旋-自旋相互作用的几率迅速增加,从而有利于自旋催化反应的进行。另外,如果固体或载体具有自旋导电性,则无需外加电场或磁场,即有可能遥控催化中心的电荷和自旋态,从而避免使用外电场或磁场。实际上,许多反应过程本身就包含着自旋催化,它还可使反应过程的许多不足变成优势,如对于不需要的链式自由基反应;通过引入自旋捕获剂使得自旋禁止反应成为有用的自旋催化;磁性粒子的浓度以及外加磁场和电场均可导致自旋催化/禁止反应。由于均相自旋催化的研究较早,在此不再赘述。本文详细介绍了多相体系中的自旋催化的应用,如燃烧、温和氧化、环化、开环、非极性小分子的活化和不稳定自由基的耦合等。可能用作自旋催化剂的材料有：含有不同顺磁性的金属离子的磁性氧化物或多核磁性簇合物;嫁接在一些载体上的多核络合物或过渡金属(低温催化);带有非整数氧化价态的导电金属;各种具有半金属性和导电性的碳材料。研究自旋催化反应的一个突出问题就是这些过程大部分是自由基式的,趋于非线性区域,因而很难预测,也没有一个便利的工具用以描述,甚至预测自旋催化反应,但也许这些研究的特点就是不可预测性。自旋催化除了可调变反应的进行,我们还可从中获得一个独特的调节手段：通过外加磁场或电场触发基元过程,在非热力学上控制反应的进行。该手段在控制化学反应方面具有明显优势,因为现在大都是通过调节温度、压力和流量等参数来实现对化学反应的控制,且滞后严重。同时,通过添加外加磁场可立刻改变反应速率。另外,通过降温可精细控制基元反应,从而开辟了一种抑制副反应的方法,因而也使得反应的随机性降低。     

手性自旋转换铁(Ⅱ)席夫碱配合物的合成、结构及其磁性研究

通过高氯酸亚铁,4-(咪唑-2-甲醛)丁腈和光学纯苯乙胺衍生物的自组装成功合成了2个纯手性单核自旋转换铁(Ⅱ)化合物fac-Λ-[Fe(R-L1)3](Cl O4)2(1),fac-Λ-[Fe(R-L2)3](Cl O4)2(2)。利用X-射线单晶衍射、元素分析(EA)、红外光谱(IR)、核磁共振氢谱(1H NMR)、紫外光谱(UV)、圆二光谱(CD)等手段对配合物结构进行了表征。X-射线单晶衍射表明在化合物1和2中,铁(Ⅱ)金属中心与3个不对称双齿手性席夫碱配体中的6个氮原子配位形成八面体配位环境。每个结构基元中包含1个[Fe(L)3]2+阳离子和2个高氯酸根阴离子。由于铁(Ⅱ)中心周围手性配体的螺旋协调配位使[Fe(L)3]2+形成单一手性Λ构型。Fe(Ⅱ)-N键长表明配合物1和2中的铁(Ⅱ)在低自旋状态。在[Fe(L)3]2+中,相邻配体中的苯环和咪唑环形成分子内π-π相互作用。配合物1和2通过分子间C-H…π相互作用形成三维超分子结构。CD光谱证实配合物1和2在溶液中的光学活性。磁性测试表明配合物1和2分别在232和250 K发生自旋转换。由于配合物1和2具有相同的手性空间群和类似的堆积方式和分子间相互作用,导致1和2表现出不同自旋转换温度的原因主要是取代基效应。     

Graphene applications in electronic and optoelectronic devices and circuits

Recent progress of research for graphene applications in electronic and optoelectronic devices is reviewed, and recent developments in circuits based on graphene devices are summarized. The bandgap-mobility tradeoff inevitably constrains the application of graphene for the conventional field-effect transistor （FET） devices in digital applications. However, this shortcoming has not dampened the enthusiasm of the research community toward graphene electronics. Aside from high mobility, graphene offers numerous other amazing electrical, optical, thermal, and mechanical properties that continually motivate innovations.     

The magnetoelectric properties of A- or B-site-doped PbVO3 films： A first-principles study

We employ first-principles calculations to study the magnetic and ferroelectric properties of PbVO3 with A （XA = Ca, Sr, Bi, Ba, and La） or B （XB = Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu） site dopants, with the aim of ascertaining a large ferroelectric polarization and a long magnetic order, or even a macro fen＇i/ferromagnetism, which is critical to their potential applications in magnetoelectronic devices. It is found that PbTXAVsO24 （XA =Ca, Sr, and Ba,） are inclined to maintain the spin glass and large ferroelectric polarization. The degenerated G- and C-antiferromagnetic （AFM） couplings in the ideal PbVO3 are broken up, accompanied by the loss of ferroelectric properties, when La or Bi is doped at the A site. In contrast, the above-mentioned 3d transition elements doped at the B site of PbVO3 could induce remnant magnetic moments and preserve the large ferroelectric polarization, except for Ni and Cu. The Fe or Cr at the B site clearly remove the degenerated G- and C-AFM coupling, but the nonmagnetic Ti cannot do so. For the Mn, Co, Ni, or Cu doped at the B sites, even the two-dimensional AFM ordering in PbVO3 is destabilized. The various doping effects are further discussed with inner strain and charge transfer.     

Luminescence properties of ZnS：Cu, Eu semiconductor nanocrystals synthesized by a hydrothermal process

ZnS:Cu, Eu nanocrystals with an average diameter of ～ 80 nm are synthesized using a hydrothermal approach at 200 C. The photoluminescence (PL) properties of the ZnS:Cu, Eu nanocrystals before and after annealing, as well as the doping form of Eu, are studied. The as-synthesized samples are characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry, and the excitation and emission spectra (PL). The results show that both Cu and Eu are indeed incorporated into the ZnS matrix. Compared with the PL spectrum of the Cu mono-doped sample, the PL emission intensity of the Cu and Eu-codoped sample increases and a peak appears at 516 nm, indicating that Eu 3+ ions, which act as an impurity compensator and activator, are incorporated into the ZnS matrix, forming a donor level. Compared with the unannealed sample, the annealed one has an increased PL emission intensity and the peak position has a blue shift of 56 nm from 516 nm to 460 nm, which means that Eu 3+ ions reduce to Eu 2+ ions, thereby leading to the appearance of Eu 2+ characteristic emission and generating effective host-to-Eu 2+ energy transfer. The results indicate the potential applications of ZnS:Cu, Eu nanoparticles in optoelectronic devices.     

The spin-one Duffin Kemmer Petiau equation in the presence of pseudo-harmonic oscillatory ring-shaped potential

The Duffin-Kemmer-Petiau equation （DKP） is studied in the presence of a pseudo-harmonic oscillatory ring-shaped potential in （1 ＋ 3）-dimensional space-time for spin-one particles. The exact energy eigenvalues and the eigenfunctions are obtained using the Nikiforov-Uvarov method.     

矢量光束界面反射透射的自旋霍耳效应

矢量光束的一般表示方法是利用投影矩阵和广义琼斯矢量的乘积描述.投影矩阵存在一个自由度,该自由度与有限光束的场矢量偏振状态有关,由特定的单位矢量与波矢量间的方位角决定,可以定量地描述矢量光束的偏振状态.本文在矢量光束描述的理论基础上,通过对投影矩阵进行与反射光束与透射光束传播方向相应的坐标旋转,根据麦克斯韦方程组及其边界条件,计算讨论在各向同性介质界面上反射、透射矢量光束的表示形式以及其自旋霍尔效应表现出的横向位移.线偏振光(光子自旋量为σ＝0)横向位移为零,圆偏振光束(光子自旋量为σ＝±1)位移量最大且左圆偏振与右圆偏振光束的位移大小相等方向相反,进一步分析了左圆偏振光束在界面上的反射、透射光束的横向位移与入射角的关系.     

超导与自旋涨落

在常规超导体中,库珀对是由于电子与声子之间的相互作用而形成的.在此过程中,人们可以只考虑电子的电荷性质与声子之间的关联.然而在所谓的非常规超导体中,人们意识到一些其他类型的元激发也可能导致超导现象,而自旋涨落则可能是其中最重要的一种.在大多数非常规超导体中,都可以发现自旋涨落的身影.而在一些重要的体系中,包括铜基超导体、铁基超导体以及一些重费米子超导体体系等,可以确切地说,自旋涨落起到了关键的作用,尽管其相对应的超导机制仍然还不清楚.文章简单介绍了自旋涨落与超导电性之间的关联.     

自旋Seebeck效应简介

自旋电子学作为一个新兴的学科,是未来电子学发展的重要方向之一.而近年来发现的自旋泽贝克（Seebeck）效应则为自旋电子学的研究提供了不少新现象.文章通过对自旋Seebeck效应的一些科研进展的介绍,较详尽地阐明了自旋Seebeck效应的定义和常用的利用逆自旋霍尔（Hall）效应来进行观测的机制与方法,并对不同种类材料中的自旋Seebeck效应及其可能的成因进行了分析介绍.