核磁共振中分子间多量子相干及其应用

源自核自旋远程偶极相互作用的分子间多量子相干(iMQC)以其独特的性质在核磁共振领域引起了广泛的关注.与常规的单量子相干信号相比,iMQC信号具有下列特性:iMQC信号与实验可控的偶极相关距离为半径的空间区域内的自旋粒子数相关;iMQC信号与局域磁场分布或局域磁化率效应相关;iMQC信号具有独特的弛豫和扩散特性.这些性质使iMQC在核磁共振波谱和成像领域得到了广泛的应用.本文简要介绍了iMQC现象的研究历史以及相应的理论解释,对我们小组这10几年来在iMQC领域的研究进行了系统的阐述,包括对iMQC性质的研究及其在不均匀不稳定场中高分辨核磁共振谱和成像方面的应用研究.     

一种同时测量分子间多量子相干横向弛豫和自扩散系数的快速方法

提出一种可同时直接测量高极化核自旋体系分子间n阶多量子相干横向弛豫时间T2,n和自扩散系数Dn的一维核磁共振方法。实验结果表明：对于单组份单峰的高极化核自旋体系,分子间n(n≥1）阶多量子相干横向弛豫时间T2,n自扩散系数Dn分别具有如下关系：T2,n≈T2,1／n和Dn ≈nD1,这里T2,1和D1分别为该峰的单量子相干横向弛豫时间和自扩散系数。这些结果有助于揭示分子间多量子相干横向弛豫和自扩散的性质和机理。     

高极化自旋体系纵向弛豫时间的测量

在高极化自旋体系中由于强辐射阻尼效应的影响,常规的纵向弛豫时间(T1)测量方法不再适用或需修改.本文提出了高极化自旋体系T1的分子间多量子相干测量方法.通过相干脉冲梯度场抑制演化期的辐射阻尼效应,利用分子间多量子相干信号的性质消除检测期的辐射阻尼效应,在绝对值谱模式下对谱峰峰高拟合,准确计算出T1.在此基础上,分析和比较了分子间多量子相干法与饱和恢复法对辐射阻尼效应的抑制作用.实验结果表明,分子间多量子相干方法能有效地抑制辐射阻尼效应,准确测量高极化自旋体系纵向弛豫时间.     

核磁共振中基于分子间多量子相干理论扩散行为的模拟

本文采用粒子随机行走模型结合分子间多量子相干理论模拟双组分核自旋体系溶液分子的表观扩散行为,将模拟得到溶液分子表观扩散率与溶液分子自扩散系数的关系,与理论预测结果进行比较,发现二者吻合得很好。     

液体NMR中多平板间多量子相干受限扩散的有限差分模拟

由于液体分子自扩散参与了几乎所有的化学反应,且核磁共振(NMR)是当前唯一可用于提供关于分子在一个相当于生物细胞尺度单元内的位移信息的非侵害性方法,扩散相关的NMR研究更是引起了极大的重视.为了研究复杂系统中的多量子相干受限扩散行为,将单一平板间多量子相干受限扩散理论扩展到间距等概率分布和间距正态分布的多平板间多量子相干受限扩散,并利用积算符矩阵、非线性Bloch方程和有限差分相结合的方法进行模拟,得出了多平板间多量子相干受限扩散信号衰减随孔径变化范围、高斯因子的变化规律.模拟结果与理论预测吻合,验证了理论表述的正确性,从而可以通过回波信号衰减曲线形状了解样品中平板间距大致的变化范围和分布规律.本研究可扩展到各种复杂的脉冲序列及多自旋体系.     

核磁共振中分子间多量子相干CRAZED序列参数的优化

对检测分子间多量子相干信号的CRAZED脉冲序列的最佳射频脉冲翻转角及延迟时间进行了探讨，通过综合运用偶极场理论和积算符公式，得到不同相干阶数下CRAZED序列的相对信号强度与射频脉冲翻转角及延迟时间之间关系的表达式。并利用计算机模拟对延迟时间进行优化，所得结果由实验加以验证．实验结果表明，理论得到的信噪比和量佳延迟时间的关系与实验结果吻合得较好．因此，所得出的理论方法可用于指导实验参数的优化选择。     

准一维基于分子亚铁磁体自旋系统磁化率性质研究

基于交替自旋Ising—Hamiltonian模型,用量子转移矩阵方法,研究了不同外场条件下准一维基于有机分子亚铁磁体磁化率的结构序参量．对磁化率一的研究表明：双自由基和单自由基的交替有机自旋链的亚铁磁自旋排列等效于有效自旋S=1／2的铁磁相互作用链,双自由基有机高分子对具有单一成分的有机基于分子亚磁体具有绝对优势．量子Monte Carlo方法和精确对角化方法的计算结果两者相符,且与某些实验结果定性相符．     

基于分子间多量子相干的三维磁共振成像模拟

核磁共振中的分子间多量子相干信号源自远程偶极相互作用．基于分子间多量子相干的成像信号能提供一种新的对比度机理．为了快速、高效地模拟和研究该对比度机理，本文运用如下算法：先对磁共振信号在实空间进行傅立叶变换．从而将磁化量从实空间变换至k空间．计算远程偶极场和扩散效应．然后将其变换回实空间来处理化学位移和弛豫等参数．研究结果表明：此算法可以准确反映三维结构样品中的偶极场效应．并且验证了由此产生的分子间多量子相干信号能够有效地提高磁共振成像的对比度．     

量子阱中自旋电流与电荷流

由薛定谔方程和密度矩阵推导出量子阱中电子输运的几率方程,并由此得出了量子阱中自旋流与电荷流的表达式.结果发现随着自旋退相干时间的增加左边的自旋电流增加,而右边的自旋电流减小.这些结论对量子自旋器件的研究有重要的意义.     

人造双原子分子的自旋极化电子输运

利用非平衡格林函数方法研究了Aharonov-Bohm环中人造双原子分子的自旋极化电子输运性质.计算了量子点中自旋相关的占有数、自旋积累以及系统总电导和自旋极化率.发现两电极之间的耦合强度以及量子点之间的耦合强度对系统自旋相关输运性质以及总的电导有重要影响.     

有机高分子磁体的分子设计

对有机高分子磁体的分子设计研究进行了综述,讨论了设计有机高分子磁体主要的4种理论模型,即Heiter London自旋交换模型、分子间电子转移模型、高自旋多重度模型和超级交换模型,并对这一领域的发展和应用进行了展望.     

Controlled multiple quantum coherences of nuclear spins in a nanometre-scale device

The analytical technique of nuclear magnetic resonance (NMR) is based on coherent quantum mechanical superposition of nuclear spin states. Recently, NMR has received considerable renewed interest in the context of quantum computation and information processing, which require controlled coherent qubit operations. However, standard NMR is not suitable for the implementation of realistic scalable devices, which would require all-electrical control and the means to detect microscopic quantities of coherent nuclear spins. Here we present a self-contained NMR semiconductor device that can control nuclear spins in a nanometre-scale region. Our approach enables the direct detection of (otherwise invisible) multiple quantum coherences between levels separated by more than one quantum of spin angular momentum. This microscopic high sensitivity NMR technique is especially suitable for probing materials whose nuclei contain multiple spin levels, and may form the basis of a versatile multiple qubit device.     

Spectroscopy of spontaneous spin noise as a probe of spin dynamics and magnetic resonance

Not all noise in experimental measurements is unwelcome. Certain fundamental noise sources contain valuable information about the system itself-a notable example being the inherent voltage fluctuations (Johnson noise) that exist across any resistor, which allow the temperature to be determined. In magnetic systems, fundamental noise can exist in the form of random spin fluctuations. For example, statistical fluctuations of N paramagnetic spins should generate measurable noise of order N spins, even in zero magnetic field. Here we exploit this effect to perform perturbation-free magnetic resonance. We use off-resonant Faraday rotation to passively detect the magnetization noise in an equilibrium ensemble of paramagnetic alkali atoms; the random fluctuations generate spontaneous spin coherences that precess and decay with the same characteristic energy and timescales as the macroscopic magnetization of an intentionally polarized or driven ensemble. Correlation spectra of the measured spin noise reveal g-factors, nuclear spin, isotope abundance ratios, hyperfine splittings, nuclear moments and spin coherence lifetimes-without having to excite, optically pump or otherwise drive the system away from thermal equilibrium. These noise signatures scale inversely with interaction volume, suggesting a possible route towards non-perturbative, sourceless magnetic resonance of small systems.     

主动来流闭口箱梁气动力时频相关性

基于主动控制的多风扇和振动格栅装置模拟了14种同步二维湍流场,同步测量了参考点处流场特性及相应断面气动力,从时域和频域2个角度分析了荷载展向相关性与来流特性之间的关系,研究发现,来流相关性与气动力相关性并不相同;气动力相关性之间也互不相同.气动力相关性受来流特性影响显著,在大积分尺度来流下,脉动风及荷载空间相干函数并不满足传统e指数形式.为了考虑来流特性对气动力相干函数的影响,提出了一种相干函数模型,较之传统模型,该模型可以反映来流特性对空间相干函数的影响以及气动力与脉动风相干函数间的差异.     

神经反馈治疗对注意力缺陷多动障碍儿童脑电相干性影响的研究

比较Theta/beta神经反馈治疗前后脑电相干性的变化,从而证明神经反馈对注意力缺陷多动障碍(attention deficit hyperactivity disorder,ADHD)儿童脑电存在积极正向影响。通过采集16例ADHD患者神经反馈前后清醒闭眼脑电和16例正常儿童清醒闭眼脑电数据。研究了6个频段半球间和半球内脑电相干性。结果表明,神经反馈训练后ADHD儿童中短距离半球内theta频段相干性显著降低,长距离半球内theta和alpha频段相干性显著增加。在额区和颞区半球间alpha频段相干性显著增加并且theta频段相干性显著降低,在中央区-顶区-枕区半球间delta和theta频段相干性显著降低。可见,theta/beta神经反馈能影响ADHD儿童异常脑电活动,从而改善ADHD症状。神经反馈干预训练对脑电相干性有积极的影响,脑电相干性参数能够为评价神经反馈的作用提供一种客观的技术方法。     

GaAs中电子自旋极化的浓度依赖研究

采用时间分辨圆偏振光抽运-探测光谱,研究本征GaAs中导带底附近电子初始自旋极化和自旋弛豫动力学.发现电子初始自旋极化度小于通常认为的0.5,并随光注入载流子浓度的增大而减小.假设右旋圆偏振光激发到导带的自旋取向,向上与向下电子浓度之比为13,理论计算的电子初始自旋极化度随载流子浓度变化关系与实验结果很好的符合.计算结果同时表明,带隙重整化效应对电子初始自旋极化度有较大影响,但电子初始自旋极化度小于0.5的现象并非起源于带隙重整化效应.     

液体核磁共振中基于偶极场理论的扩散行为模拟

通过偶极场理论和密度算符公式相结合推导同核双组分核自旋体系在CRAZED脉冲序列作用下非线性演化的理论表述.采用粒子随机行走模型与偶极场理论相结合的方法,模拟自由扩散的核自旋体系在偶极场作用下非线性演化的特殊性质.模拟与理论预测的结果吻合得很好.     

质子射频场照射对~(13)C自旋晶格弛豫的影响

用扩展的Solomon方程描述1H受到射频 (RF)场照射时13 C的自旋晶格弛豫过程 .理论分析表明 ,在1H受到射频场照射时 ,13 C自旋晶格弛豫通常是一个三指数过程 ,但在特定实验条件下可以变为单指数过程 .数值模拟可显示出满足TC1TH1条件的13 C自旋晶格弛豫过程的明显差别以及不同射频场强度对13 C自旋晶格弛豫的影响 .通过实验观察固体L 缬氨酸的甲基13 C自旋晶格弛豫过程 ,测定相应的弛豫时间 .所得结果与理论分析和数值模拟完全吻合 .