大学化学 >> 2019, Vol. 34 >> Issue (12): 73-78.doi: 10.3866/PKU.DXHX201911055
所属专题： 2019元素周期表年
钆离子：周期表中最高自旋的离子
蒋尚达*(
)
- 北京大学化学与分子工程学院, 北京 100871
-
收稿日期:2019-11-26录用日期:2019-12-02发布日期:2019-12-05 -
通讯作者:蒋尚达 E-mail:jiangsd@pku.edu.cn -
作者简介:蒋尚达，北京大学化学与分子工程学院副研究员，2011年在北京大学化学学院获得博士学位，获得2013年全国百篇优秀博士论文。2011–2014年在德国斯图加特大学进行博士后研究，洪堡学者，2014–2015年在法国国家强磁场实验室进行博士后研究。2015年11月起受聘于北京大学化学学院无机化学所。2016年入选中国科协青年人才托举工程，同年当选中国科协第九届全国委员会委员和科普专委会委员，2018年获得国家基金委优秀青年科学基金。主要从事分子磁性和电子顺磁共振谱学研究，研究磁性分子的量子相干行为及电、光和磁等对分子自旋的相干操纵方法。2019年成为中国化学会“青年化学家元素周期表”钆元素代言人。 -
基金资助:国家重点研发计划项目(2017YFA0204903);国家重点研发计划项目(2018YFA0306003)
Gd3+ Ion: The Ion of Highest Spin in the Periodic Table
Shangda JIANG*()
- College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, P. R. China
-
Received:2019-11-26Accepted:2019-12-02Published:2019-12-05 -
Contact:Shangda JIANG E-mail:jiangsd@pku.edu.cn -
Supported by:国家重点研发计划项目(2017YFA0204903);国家重点研发计划项目(2018YFA0306003)
摘要：
钆离子是元素周期表中自旋值最大的离子，其轨道角动量被完全淬灭，具有十分特殊的电子结构。本文以核磁共振造影剂以及分子自旋量子比特为例介绍了钆离子在前沿科技中的应用。
MSC2000:
- G64
引用本文
蒋尚达. 钆离子：周期表中最高自旋的离子[J]. 大学化学, 2019, 34(12): 73-78.
Shangda JIANG. Gd3+ Ion: The Ion of Highest Spin in the Periodic Table[J]. University Chemistry, 2019, 34(12): 73-78.
图1
Gd3+的基态电子结构 Gd3+有7个4f电子，平均占据在7个4f轨道上，其基态光谱支项为8S7/2，由于其轨道角动量被完全淬灭，表现出各向同性，其电子云为完美的球形。"
图2
核自旋在磁场和共振射频作用下的能级劈裂和自旋动力学行为 (a)氢原子核在磁场中发生塞曼效应，能级发生劈裂；(b)氢原子磁矩在磁场(B0)中发生拉莫进动，进动轴为磁场(B0)方向；(c)在旋转坐标系下，氢原子磁矩随着射频场的磁矢量(B1)发生进动，此时外磁场(B0)方向沿z轴，该进动使氢原子磁矩在外磁场(B0，z轴)方向表现出平行-反平行的周期性持续翻转(z-y平面内)；(d)检测方向(y)可以看到磁矩的振荡，即Rabi振荡。"
图3
两种最常见的核磁共振造影剂分子结构"
图4
经典比特和量子比特的区别 经典比特的位元是确定的本征态，量子比特则是叠加态。"
图5
含钆多酸化合物的分子结构和能级劈裂 左：含钆多酸化合物的多能级分子量子比特的晶体结构(紫色为钆，蓝色为钨，红色为氧)； 右：当磁场施加在晶体学b轴(量子化z轴)方向时，可观测到8个能级中的全部7个允许跃迁。 电子版为彩图"
图6
Gd2@C79N分子结构和各向异性Rabi振荡"
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