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动物肺部气血交换的超极化129Xe磁共振研究

动物肺部气血交换的超极化129Xe磁共振研究

引用

作者：张智颖中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)

学位级别：博士

人口健康直接影响到一个国家的经济发展和社会进步。近年来,慢性阻塞性肺疾病、哮喘、尘肺等肺部疾病的发病率逐年上升,肺部重大疾病形势格外严重。下呼吸道感染、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary diseases, COPD)以及... 详细信息

人口健康直接影响到一个国家的经济发展和社会进步。近年来,慢性阻塞性肺疾病、哮喘、尘肺等肺部疾病的发病率逐年上升,肺部重大疾病形势格外严重。下呼吸道感染、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary diseases, COPD)以及肺癌均已排在我国人群死因的前十位。临床上常用于肺部疾病检测的影像学技术有胸透、计算机断层扫描(CT)和正电子发射计算机断层扫描口ET)等。但是这些方法都具有放射性,会对受试者造成一定的放射性损伤,另一方面,这些成像技术都不能全面提供衡量肺部交换功能的指标——肺部气-气交换和气-血交换功能。传统磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)是基于人体中水质子(1H)的信号,而肺部是空腔结构,其水质子浓度比正常组织低约1000倍。因此,肺部是传统磁共振成像中的唯一“盲区”。目前还没有一种能够无侵入、无放射性地对肺部气体交换功能进行可视化的成像方法,亟需一种能在肺部疾病早期阶段,即气血交换功能改变阶段,对肺部进行早期诊断。利用超极化的方法,可以把核自旋极化度提高4到5个量级,极化度的提高可以直接增强MRI的信号强度,从而提高磁共振成像的灵敏度。超极化的新技术在MRI中的应用为增强肺部成像的灵敏度和对比度提供了巨大的潜力。超极化(3He,13C,83Kr和129Xe) MRI可以对肺部的结构、功能和代谢的改变进行评价。本论文的主要研究内容是超极化气体肺部气血交换功能研究以及脑部功能研究。首先介绍了我国肺部疾病的发病情况及肺部疾病的检测和评价方法,指出了超极化129Xe肺部磁共振成像研究的重要性与必要性,介绍了超极化129Xe肺部磁共振研究的原理与相关应用。随后,使用一系列自主研发的装置,在大鼠身上实现了超极化129Xe肺部磁共振研究,实现了超极化129Xe肺部气血交换动力学的直接检测,通过对单次屏气呼吸采样法与多次屏气呼吸采样法所得到的气血交换动力学参数的对比,发现两种呼吸模式下得到的肺部气血交换功能参数存在可替代性,同时也证实了由于心脏搏动所造成的超极化129Xe信号的波动,并不会影响肺部气血交换功能的研究。使用多次屏气呼吸采样法实现了对放射性肺损伤大鼠的检测,成功区分了健康与疾病模型。为了在较低信号强度的情况下实现肺部气血交换动力学的检测,探索肺部的气血交换功能,建立了COPD模型大鼠。使用间接检测的方法,对健康及模型大鼠进行了有效区分。为了比较直接检测的方法与间接检测的方法所测得的超极化129Xe交换动力学是否有一致性,我们建立了吸烟模型大鼠,通过对不同方法所得到的肺部气血交换功能进行比较,结果表明,两种方法都能够很好地区分健康与疾病模型。超极化129Xe也能够用于脑部磁共振的研究,但是,较低的信号强度导致其发展很慢。通过对超极化129Xe到达大鼠脑部过程的研究,提出了表观弛豫时间常数TO-C,用于评价吸入不同浓度的氧气对大鼠脑部信号的影响。通过理论计算和实验验证,得到了最优的肺内氧气浓度,最终实现了超极化129Xe脑部磁共振成像。

关键词：肺部气血交换肺部磁共振成像脑部磁共振成像超极化129Xe

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锑表面磁性杂质效应的STM研究

锑表面磁性杂质效应的STM研究

引用

作者：佘利敏中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）

学位级别：博士

近年来,拓扑材料特别是拓扑绝缘体因其表面态的新奇电子性质引起了人们广泛的关注,无论是在理论还是在实验方面都已经进行了许多研究。拓扑材料表面电子态具有自旋手征性、受时间反演对称性保护、并遵循狄拉克方程,因此在自旋电子器件... 详细信息

近年来,拓扑材料特别是拓扑绝缘体因其表面态的新奇电子性质引起了人们广泛的关注,无论是在理论还是在实验方面都已经进行了许多研究。拓扑材料表面电子态具有自旋手征性、受时间反演对称性保护、并遵循狄拉克方程,因此在自旋电子器件和量子计算等领域有着广阔的应用前景。拓扑材料研究的重点领域之一是在原子尺度上理解其磁耦合机制以及相应的一些新颖的量子现象。不同于常规金属性电子态,由于拓扑电子态中存在反局域化狄拉克费米子,其自旋和动量绑定在一起,这样一些传统的量子现象对于拓扑电子态来说究竟如何还未知,以前的理论模型也不再适用。本论文的工作是利用扫描隧道显微镜(STM)研究拓扑半金属Sb(111)表面的磁性杂质效应。主要研究了单个Co原子吸附在Sb(111)表面上的电子性质、磁性杂质Co在Sb(111)表面上所引起的准粒子相干现象以及Sb(111)表面自组装薄膜中CoPc磁性分子的电子性质。论文的主要内容如下： (1)研究了单个Co原子在Sb(111)上的局域电子态密度,发现Co原子在Sb(111)表面上具有近藤效应,磁性杂质周围形成自旋极化的电子云屏蔽了Co的磁矩,从而保护了Sb(111)拓扑性表面电子态的时间反演对称没有被磁性杂质所破坏。 (2)利用微分电导(dI/dV)成像技术分别测量了Sb(111)表面台阶和磁性杂质Co对拓扑电子态散射所引起的相干驻波。通过分析准粒子相干驻波的波矢,发现表面态对磁性杂质Co的相干散射过程与弹性背散射无关,这间接证明了在我们的测量条件下,近藤效应的存在使得Sb(111)表面态的拓扑性没有被磁性杂质Co所破坏。 (3)对CoPc自组装薄膜中磁性分子的电子性质进行了研究。通过测量CoPc分子在Sb(111)上的局域电子态密度,我们发现CoPc分子的dI/dV谱在费米能级附近也存在近藤共振峰,表明Sb(111)表面电子态的时间反演对称性保护不会因在Sb(111)表面沉积磁性分子薄膜而被破坏。

关键词：扫描隧道显微镜拓扑绝缘体表面电子态磁性杂质电子驻波

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量子纠缠操纵及量子非局域性测试

量子纠缠操纵及量子非局域性测试

引用

作者：赵志中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）

学位级别：博士

量子纠缠不仅是量子力学最显著的特性之一，而且还可以当作一种有效的资源进行量子隐形传态、量子密集编码、量子密码术和量子计算。在过去的几年中，大量的实验已经表明，量子计算和量子通信在许多方面都比其对应的经典方法更强大和有... 详细信息

量子纠缠不仅是量子力学最显著的特性之一，而且还可以当作一种有效的资源进行量子隐形传态、量子密集编码、量子密码术和量子计算。在过去的几年中，大量的实验已经表明，量子计算和量子通信在许多方面都比其对应的经典方法更强大和有效。同时，对量子信息理论的研究进一步加深了人们对纠缠与非局域性关系的理解。在迅速发展的量子信息领域，量子纠缠的研究一直是一个非常活跃的领域。这些研究包括多粒子纠缠量子态的产生、操纵及其与量子非局域性的关系。在这篇论文中，作者对博士研究生期间关于这些方面的研究工作总结如下：在比较已有三光子最大纠缠态制备方案的基础上，提出了一个新的三光子最大纠缠量子态的制备方案；我们的方案与其它方案的重要区别在于提出了将非理想的非线性相互作用与纠缠的纯化相结合来制备三光子最大纠缠态的可能性。我们提出了一个应用三光子GHZ态进行量子隐形传态的改进方案。与以前的方案相比，我们的方案具有更高的传输效率并且容易推广到应用非最大的三光子纠缠态进行量子隐形传递。作为本论文的主要工作，我们首先对目前存在的纠缠纯化方案进行了概述，然后提出了一个实用的纠缠纯化方案。纠缠的纯化本质上是从低纠缠的量子态中提取出高纠缠的量子态。然而，目前存在的纠缠纯化方案一般都是基于量子控制非操作或相似的量子逻辑操作，而这些操作在实验上都难以实现。在这些方案的基础上，我们提出了一个对非最大纠缠纯态可以实现的纠缠纯化方案。在我们的方案中，相距遥远的Alice和Bob首先利用两个共有的低纠缠的光子对来产生一个条件的四光子GHZ态，然后，他们分别对各自两个光子中的一个进行一个45°的极化测量，最后他们发现剩下的两个光子处于一个最大纠缠态。而且，我们还说明，该方案可以应用目前的技术和线性光学元件予以实现。在腔场存在损耗的条件下，我们对初始处于Schr(?)dinger“猫态”的原子与腔场纠缠态的非局域性演化进行了研究。结果表明，如果腔场是无损耗的，

关键词：量子纠缠量子隐形传态 GHZ态纠缠纯化量子非局域性

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沸石分子筛孔道中催化反应机理的理论计算研究

沸石分子筛孔道中催化反应机理的理论计算研究

引用

作者：禇月英中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）

学位级别：博士

分子筛催化剂因为环境友好而在石油化学工业中得到了广泛的应用。酸强度和孔道限域效应是分子筛催化科学研究中最根本的问题,其对催化反应机理以及活性的影响,一直以来受到了实验与理论工作者的广泛关注。本论文采用量子化学理论计算的... 详细信息

分子筛催化剂因为环境友好而在石油化学工业中得到了广泛的应用。酸强度和孔道限域效应是分子筛催化科学研究中最根本的问题,其对催化反应机理以及活性的影响,一直以来受到了实验与理论工作者的广泛关注。本论文采用量子化学理论计算的方法研究了固体酸的酸强度性质,以及固体酸的酸强度和孔道限域效应对石油化工中几种重要反应的影响,取的了一些有意义的结果。 (1)酸强度的定量测定是固体酸催化材料表征中最为关键的科学问题之一。我们利用理论计算的方法构建了一系列不同酸强度的固体Br(?)nsted酸和Lewis酸模型,计算了三甲基膦(TMP)探针分子在各酸模型上的吸附行为,并建立了TMP31P化学位移与固体Br(?)nsted和Lewis酸强度之间的定量关系。计算结果表明：TMP31P化学位移可以用来区分固体酸中的弱羟基(氢键吸附,化学位移,-60ppm)和强酸位(质子化TMPH+,化学位移,-2--4ppm)。对于Lewis酸,吸附TMP31P的化学位移与具有相同金属中心的Lewis酸强度(Lewis-TMP结合能)之间存在着良好的线性关系,因此TMP作为探针分子可以用来表征具有相同金属中心的Lewis酸强度。 (2)烷烃活化是石油化工中重要的反应,它涉及到C-H和C-C键的活化与裂解等石油化工中重要的基元反应。在表征固体酸酸强度的基础上,我们进一步研究了酸强度与烷烃活化反应活性之间的定量关系。计算结果表明,甲烷氢交换、丙烷脱氢、裂解反应都随着酸强度的增加而反应活性增加。然而,这几类反应对酸强度的敏感性是不同的：裂解反应对酸强度最为敏感；而氢交换对酸强度最不敏感。反应对酸强度的敏感特性是由其过渡态的离子特性所决定的。 (3)分子筛孔道的择形效应对催化反应的过渡态具有很好的选择性,反应分子尺寸太大或太小都不利于催化反应的进行。甲醇制烯烃的反应(MTO),可以把储量丰富的煤、天然气转化为低碳烯烃,是目前为止,最有可能替代传统石油路线的新工艺。我们利用密度泛函的方法研究了分子筛孔道0.3A的差异对MTO反应中多甲苯碳池物种选择性生成的影响。计算结果显示,在较大孔道的ZSM-12分子筛中,五甲基苯碳正离子的生成具动力学与热力学的优势,是ZSM-12分子筛中MTO反应的重要的活性物种。在只有0.3A差异的ZSM-22分子筛中,多甲苯的异碳甲基化具有动力上的优势,不利于MTO反应中碳池物种的生成。计算结果表明,虽然分子筛孔道只有0.3A的差异却对MTO反应中碳池物种的形成造成巨大的影响,由此看来分子筛的孔道限域效应是制约催化反应过渡态选择性的一种重要的因素。我们的研究将为实际工业中分子筛催化剂的选择提供重要的参考。 (4)低碳烯烃通过聚合可以生成具有更高价值的高碳化合物。通过理论计算的方法我们研究了固体酸的酸强度以及孔道限域效应对烯烃聚合反应机理以及活性的影响。计算结果表明,无论是协同机理还是分步机理,增加酸强度都可以显著地提高烯烃聚合的反应活性。同时计算结果显示,在弱酸催化下,协同机理是主导机理；在强度以及超强酸下,两种机理将共存竞争。由于分子筛的孔道限域效应对离子性强的过渡态具有很好的稳定性作用,烯烃聚合反应在包含分子筛孔道结构的HZSM-5模型中反应活性显著提高,分步机理转变为主导机理。并且通过对比烯烃聚合反应在三种不同孔道尺寸的分子筛中的活性发现,烯烃聚合反应在与其过渡态尺寸相当的ZSM-5与ZSM-22中反应活性最高。 (5)环己酮肟通过贝克曼重排反应所生成的ε-己内酰胺,是工业中合成尼龙的重要原料。本文中利用理论计算的方法系统地研究了固体酸的酸强度以及分子筛的孔道限域效应对贝克曼重排反应机理以及活性的影响。研究结果显示,酸强度与孔道限域效应是影响贝克曼重排反应的两个重要的因素。在孤立的酸模型下,随着酸强度的增加贝克曼重排反应的活性逐渐增加,当达到中强酸时活性最高；然后继续增加酸强度反应活性将降低。这主要是由于酸强度可以改变贝克曼重排反应的决速步骤所引起的。当反应在分子筛孔道内进行时,由于孔道限域效应的影响,反应与强酸下相似：1,2-H迁移是速率决定步骤,弱酸更有利于反应的进行；然而当孔道限域效应不明显时,重排反应是决速步骤,增加酸强度更有利于反应的进行。但是无论孔道限域效应是否明显,贝克曼重排反应在分子筛孔道中都将表现出比孤立模型下更强的反应活性。本文中我们用理论计算的方法构建了固体酸酸强度定量表征的标尺,并在此基础上建立了固体酸的酸强度以及孔道限域效应与石油化工中几类典型反应之间的定量关系。这些研究成果将为实际的石油化工中固体催化剂的设计、修饰与应用提供了一定的理论参考。

关键词：理论计算分子筛催化剂酸强度孔道限域效应反应机理

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1,8-萘酰亚胺类荧光探针分子光物理过程的理论研究

1,8-萘酰亚胺类荧光探针分子光物理过程的理论研究

引用

作者：王艳中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所)

学位级别：博士

1,8-萘酰亚胺类化合物是一类研究较早、应用较为广泛的荧光化合物之一,由于具有结构简单、易于修饰、光稳定性好、荧光量子产率高、环境敏感等优秀的光物理性质而被广泛应用于荧光探针领域,引起了国内外研究学者的极大兴趣。本论文通过... 详细信息

1,8-萘酰亚胺类化合物是一类研究较早、应用较为广泛的荧光化合物之一,由于具有结构简单、易于修饰、光稳定性好、荧光量子产率高、环境敏感等优秀的光物理性质而被广泛应用于荧光探针领域,引起了国内外研究学者的极大兴趣。本论文通过量子化学计算研究了一系列1,8-萘酰亚胺衍生物的电子结构并讨论了动力学问题,包括激发态结构和性质的计算,双荧光机理的讨论,考虑了取代基、溶剂效应对分子结构、激发态能量以及吸收和发射光谱的影响,探索了分子结构与光物理性能的相互关系,为新型荧光探针的优化设计提供理论基础和指导。本论文共分六个章节,主要内容如下：第一章简要介绍了荧光探针的机理。另外对1,8-萘酰亚胺类衍生物作为荧光探针的研究进行了简单介绍。第二章详细介绍了本文所采用的理论计算方法。主要包括Hartree-Fock近似、密度泛函理论(DFT)、含时密度泛函理论(TD-DFT)及单激发组态相互作用(CIS)方法。第三章利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)对1,8-萘酰亚胺类pH荧光探针分子Napa-pp及其参照物Nap-pp, Napa-p和Nap-p进行了几何构型优化和激发态计算,计算结果表明,基态时中性探针分子Napa-pp的HOMO-2, LUMO都在荧光团的π,π*轨道,而两端氮原子孤对电子所在的轨道为HOMO和HOMO-1轨道。这将有可能产生PET以及ICT效应并导致荧光熄灭。随着pH值降低,二甲胺的氮原子结合质子后,HOMO-1,LUMO在荧光团的π,π*轨道,而未结合质子的哌啶环,所在的轨道为HOMO轨道,这时PET现象终止而只有ICT效应,荧光强度有所增强。进一步降低pH值,哌啶环上的氮原子也结合质子,这时HOMO, LUMO都在荧光团的π,π*轨道,既没有PET现象,也没有ICT现象,荧光强度进一步增强。计算结果与实验现象非常吻合。第四章利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)以及CIS方法,计算了21个4-苯基-1,8-萘酰亚胺衍生物的吸收和发射光谱,研究了苯环上给(吸)电子取代基和溶剂极性对化合物局域激发(LE)和分子内电荷转移激发(CT)顺序的影响。通过分子轨道分析发现,随着苯基上的取代基的供电子能力增强,LE和CT顺序发生变化,化合物的荧光能在极性更小的溶剂里被淬灭。利用扭转分子内电荷转移(TICT)模型,对以4-MeOPhONI为代表的化合物的双荧光机理进行了研究。第五章利用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)以及CIS方法在非极性溶剂环己烷和极性溶剂二氯甲烷中对具有双1,8-萘酰亚胺结构单元的有机荧光材料(FLuONI)的激发态结构及电子光谱进行了研究。结果表明,其最强吸收和发射光谱都具有电荷转移(CT)态,从理论上说明FluONI在新型荧光材料、非线性光学材料等领域具有潜在的应用价值。第六章利用含时波包传递方法对反应H2+CH3→H+CH4进行了八维量子动力学研究,在八维模型中CH3保持其C3v对称性。计算了反应几率、积分反应截面以及200-2000 K温度范围内的热速率常数。结果发现H2振动激发及CH3的伸缩和伞形振动激发对反应均有促进作用,但是H2振动激发对反应的促进作用大于CH3振动激发。量子动力学计算的速率常数与其他理论值以及实验测量值吻合很好。第七章为全文总结。

关键词： 1,8-萘酰亚胺衍生物光诱导电子转移扭转分子内电荷转移双荧光机理溶剂效应密度泛函理论含时密度泛函理论单激发组态相互作用

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外场中少体库仑系统的量子与经典动力学行为

外场中少体库仑系统的量子与经典动力学行为

引用

作者：段宜武中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）

学位级别：博士

外场中的原子分子系统是当前物理学中最为活跃的研究对象之一。从本世纪初，关于荷电粒子在外场中的行为已引起人们的重视；五十年代离子阱技术的发明使实验研究达到了新的水平：Paul阱、Penning阱等离子阱的问世，为人们进一步研究在... 详细信息

外场中的原子分子系统是当前物理学中最为活跃的研究对象之一。从本世纪初，关于荷电粒子在外场中的行为已引起人们的重视；五十年代离子阱技术的发明使实验研究达到了新的水平：Paul阱、Penning阱等离子阱的问世，为人们进一步研究在外场中的原子分子系统的基本性质，提供了十分重要的实验依据；近十几年来的进步，特别是激光冷却技术的发展及其在离子阱中的应用，为制造新材料、观察新现象，获得新知识，提供了广泛的实验基础，也导致了象量子信息、量子计算等一些新的理论研究领域的出现；另一方面，随着强激光实验技术的发展，在外场中的库仑体系的解离、电离等过程成为强场物理、化学物理中十分重要的研究课题。最近人们对氢分子离子的光解离过程进行了实验方面的研究，显示出解离过程中的奇异性质。但在理论上求解量子力学方程时，却存在一定的困难，而从经典力学角度，特别是从混沌的角度进行研究仍鲜见报道。开展这方面的研究，将从另一方面深化人们对囚禁或束缚体系形成的逆过程的了解。一般来说，外场中的少体库仑体系可分为两种情况：一是异荷(hetero-charged)带电粒子的体系(或异类体系，指不同质量、不同电荷的粒子)，以氢原子、氦原子、氢分子离子、氢分子等系统为代表。这类体系既可由其内部的库仑相互作用而形成束缚态，也可在一定的外部作用(比如强激光脉冲作用)下发生解离(光解高、电离、解离-电离等)，本文将讨论这类体系的束缚态形成过程和解体的动力学(特别是非线性)行为；另一种情况是同荷带电粒子体系(homo-charged，其质量、电荷符号数量都相同的全同粒子体系)，由于库仑相互作用，必须在外加场的作用下才可能形成稳定的束缚状态，以Paul阱中的少数几个囚禁离子为代表。本文研究在某些特定条件下2、3个囚禁离子的经典、半经典和量子的动力学行为。本文分为两大部分，其主要内容包括：第一部分为超强激光场中的氢分子离子光解离、电离等问题。首先，我们研究了无外场时的氢分子离子的量子力学和经典动力学行为。在量子力学方面，求解了Born-Oppenheimer Approximation(BOA)近似下的一维、二维量子力学薛定

关键词：氢分子离子强激光脉冲强激光场中国科学院武汉物理与数学研究所量子力学囚禁离子库仑相互作用离子系统电离过程经典动力学

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氟溴苯分子和甲基苯甲醚分子的激发态和离子态光谱研究

氟溴苯分子和甲基苯甲醚分子的激发态和离子态光谱研究

引用

作者：秦晨中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）

学位级别：博士

芳香族化合物的激发态和离子态光谱研究在大气化学、燃烧化学、环境监测以及天体化学等领域有着重要的应用。通过对分子激发态和离子态光谱进行实验研究和理论计算,可以获得分子在激发态和离子态的几何结构、振动频率、激发能、电离能... 详细信息

芳香族化合物的激发态和离子态光谱研究在大气化学、燃烧化学、环境监测以及天体化学等领域有着重要的应用。通过对分子激发态和离子态光谱进行实验研究和理论计算,可以获得分子在激发态和离子态的几何结构、振动频率、激发能、电离能、分子轨道和对称性等多方面的信息,为深入研究分子的化学反应机制提供帮助。本文利用共振增强多光子电离(REMPI)技术和质量分辨阂值电离(MATI)光谱技术对芳香族化合物氟溴苯分子和甲基苯甲醚分子的激发态和离子态光谱进行了研究,得到以下主要结果： 1.使用单光共振双光子电离(1C-R2PI)技术测量了三种同分异构体邻、间、对氟溴苯分子基态到第一电子激发态(S1←S0)的光谱,得到邻、间、对氟溴苯分子第一电子激发态(S1态)的激发能E1)分别为36987、36961和36223cm-1。结合理论计算,对邻、间、对氟溴苯分子S1态的谱峰进行了标识。研究表明氟溴苯分子S1态的激发能和振动能级结构由其受到的共振效应和诱导效应共同决定。此外,通过比较对氟溴苯分子的REMPI谱和由对氟溴苯分子解离生成的Br原子的REMPI谱,得到对氟溴苯分子在S1态的解离势垒(S1束缚态和排斥态交叉点相对S1态带源的能量差)约为2815cm-1(0.35eV)。 2.使用1C-R2PI技术和MATI技术测量了间甲基苯甲醚分子顺反异构体的S1←S0的光谱和阈值电离光谱。得到顺式、反式间甲基苯甲醚分子的E1分别为36049±2和36117±2cm-1,绝热电离能(IE)分别为64859±5和65110±5cm-1。结合理论计算,解释了顺式、反式间甲基苯甲醚分子E1和IE存在差异的原因,并对S1态和离子基态D0态的谱峰进行了标识。研究表明间甲基苯甲醚分子顺反异构体在S1态和Do态的活性振动主要是甲基转动、面内环的运动和与取代基相关的弯曲振动。间甲基苯甲醚分子的S1态振动光谱、D0态离子光谱以及理论计算均表明这两个转动异构体在D0态的几何构型与S1态的中性几何构型相比有较大改变,取代基与取代基、取代基与苯环间的相互作用强度高低次序为：S0研究了反式邻甲基苯甲醚分子的S1←S0的光谱和阈值电离光谱。得到反式邻甲基苯甲醚分子的E1为36364±2cm-1,绝热IE为64755±5cm-1。结合理论计算对S1态和D0态的谱峰进行了标识。反式邻甲基苯甲醚分子的S1和IE相对苯甲醚分子和甲苯分子的S1和IE有相对红移,表明甲基和甲氧基与苯环的相互作用在S1和D0态时比在基态时强。反式邻甲基苯甲醚分子的S1态和D0态光谱以及理论计算均表明其在D0态的几何构型与S1态的几何构型相比有较大改变。

关键词：芳香族化合物共振增强多光子电离激发态光谱质量分辨阈值电离离子态光谱

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量子计算的核磁共振实现

量子计算的核磁共振实现

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作者：方细明中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）

学位级别：博士

量子计算是量子物理学的一个崭新的应用领域。它出现还不到二十年，但此项研究已取得了迅猛的发展。它奇妙的特性和强大功能被渐次发现、理解，正在转变成为推动它快速发展的动力。目前，人们一方面在理论上继续对量子计算展开更加深入... 详细信息

量子计算是量子物理学的一个崭新的应用领域。它出现还不到二十年，但此项研究已取得了迅猛的发展。它奇妙的特性和强大功能被渐次发现、理解，正在转变成为推动它快速发展的动力。目前，人们一方面在理论上继续对量子计算展开更加深入、广泛的研究，另一方面实验上也在设计、实现各种各样的执行量子计算的物理装置。从现有的技术条件看，核磁共振技术是目前实现量子计算的最有希望的手段之一。因此，选用研究核磁共振技术实现量子计算作为本学位论文的主题。本文的主要工作包括以下内容： ● 通过分析在核磁共振实验中实现基本通用量子逻辑门的脉冲系列，设计了实现对量子态进行各种轮换操作、对换操作的逻辑部件的脉冲系列，在实验中用这些脉冲系列实现了预先设计逻辑部件的逻辑功能。设计了量子Toffoli门的核磁共振实验实现方案。 ● 运用Fourier谱学的量子理论和与之相关的密度矩阵重构技术，实际分析和提取了量子计算实验的结果，与理论预期相符。 ● 在了解现有各种制备赝纯态的方法的基础上，理论上改进了逻辑标记法制备赝纯态的方法，从而减少“垃圾块”，增加有效赝纯子空间，间接提高信噪比。同时，在实验上实现了时间平均法制备赝纯态。 ● 设计了核磁共振实现Hogg量子搜索算法的实验方案，首次在实验上实现了二量子位的Hogg量子搜索算法，实验结果与理论高度一致。 ● 设计了用核磁共振技术完成量子分立付里叶变换算法的各种逻辑部件的脉冲系列，实验研究了二量子位量子分立付里叶变换算法，与预期结果相符。 ● 设计了实现量子密集编码的量子网络及网络中所需逻辑部件的脉冲系列，应用核磁共振技术，实现了量子密集编码的实验演示。

关键词：量子计算核磁共振实验量子物理学付里叶变换密度矩阵量子态量子逻辑门量子图灵机量子计算机量子体系量子算法量子密集编码核磁共振

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光场量子态制备与光阱下的超冷原子量子态特性研究

光场量子态制备与光阱下的超冷原子量子态特性研究

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作者：李燕中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）

学位级别：博士

光子和冷原子及其相互作用体系已成为量子调控、量子计算和量子信息等新兴技术最有效的载体之一。光学系统在量子信息中具有独特的优势，光场量子态及纠缠态的制备掀起了人们极大的研究热情。另一方面，激光冷却和俘获技术使得人们可以... 详细信息

光子和冷原子及其相互作用体系已成为量子调控、量子计算和量子信息等新兴技术最有效的载体之一。光学系统在量子信息中具有独特的优势，光场量子态及纠缠态的制备掀起了人们极大的研究热情。另一方面，激光冷却和俘获技术使得人们可以对囚禁冷原子的量子态进行精密操控，以玻色－爱因斯坦凝聚体（BEC）为代表的冷原子的量子态具有特殊性质，激光作用下BEC量子态的研究成为一个备受关注的问题。本论文的工作以研究量子态的制备和特性为主线，分别研究了非经典光场量子态及纠缠态的制备、光阱下囚禁超冷原子量子态的特性等，主要内容如下： 1）附加单光子相干态(SPACS)的实现，使人们观察到了光场量子态从量子领域逐渐过渡到经典领域行为的奇妙现象，对于深入探讨量子和经典领域的边界问题有特殊的价值和意义。我们设计了一个简单的光学方案来产生非经典量子态：附加光子相干态(PACS)，与此同时，在出射信号光路得到SPACS的时候，闲置光将塌缩到N-qubit离散变量纠缠态，进而提出了一个使SPACS制备几率得到有效提高的光学方案，该方案同样可以用于杂化纠缠态的制备中。 2）利用Mach-Zehnder干涉装置，设计了产生SPACS纠缠态的可行光学方案，此方案产生的type II杂化纠缠态不同于其他类型的杂化纠缠态，实现了真正意义上的连续变量和离散变量量子态的纠缠。在type II杂化纠缠态中，无法指出哪个是自旋（或宇称）比特，如果把经典连续变量量子态和量子离散变量量子态分别视为死猫和活猫的话，type II杂化纠缠态可以视为纠缠的薛定谔猫态。 3）理论分析了双阱中由远共振红失谐激光形成的弱耦合BEC的约瑟夫森效应，通过对BEC密度分布和布居振荡的数值分析，发现当改变红失谐激光的强度来调制双阱BEC时，将呈现出三阱凝聚体的约瑟夫森振荡现象。本工作提供了一个新的实现BEC弱耦合的可行方案，有助于实验观察约瑟夫森效应。 4）对由光晶格和谐振子势组成的联合囚禁势中的超冷玻色气体，分析了当仅仅保留谐振子势而关掉光晶格时其密度－密度关联的时间演化。研究表明，由于谐振子势的调制作用，密度－密度关联呈现出周期性时间演化行为，我们给出了解析形式的解，该结果与数值分析结果相吻合，该解析表示对于用空间量子噪声干涉法测量谐振子的频率有潜在应用价值。

关键词：附加单光子相干态量子态制备超冷原子约瑟夫森效应

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微孔、介孔分子筛材料酸性的固体核磁共振研究

微孔、介孔分子筛材料酸性的固体核磁共振研究

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作者：罗晴中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）

学位级别：博士

本文运用多种固体核磁技术，尤其是多共振技术，以及探针分子吸附方法分别研究了几种不同的微孔、介孔分子筛的铝物种和酸性。在MCM-22分子筛中，我们利用TRAPDOR方法研究了“NMR不可观测铝”和羟基之间的偶极相互作用，并且计算出... 详细信息

本文运用多种固体核磁技术，尤其是多共振技术，以及探针分子吸附方法分别研究了几种不同的微孔、介孔分子筛的铝物种和酸性。在MCM-22分子筛中，我们利用TRAPDOR方法研究了“NMR不可观测铝”和羟基之间的偶极相互作用，并且计算出了不同铝物种的四极耦合常数以及二阶四极位移，证实所有这些铝物种(包括Br（?）nsted，Lewis酸性位上的铝以及非骨架铝)均为“NMR不可观测铝”的来源。本文提出了一种新的脉冲方法：TRAPDOR-CP。它能有效地建立三个不同的核之间的关联，克服了弱核之间偶极相关难以探测的困难，实现了用间接的方法探测弱核之间的关联。我们将这种方法应用于MCM-22分子筛中29Si谱的研究，首次明确地区分出来自Si[1OH，3Si]和Si[1Al，3Si]结构单元的硅信号。另外，通过与1H／27Al实验对比，从NMR的角度发现了在MCM-22中存在有两种不同的Br（?）nsted酸性位，并首次从实验上证实这两种不同的Br（?）nsted酸性位的差异是由骨架拓扑结构不等价位所引起的。在一步合成的Al-MCM-41的介孔分子筛酸性研究中，我们运用多种双共振实验和三甲基磷（TMP）吸附，证实了MCM-41中有类似于沸石分子筛的Br（?）nsted酸性位即桥式羟基的存在，并测量了这种桥式羟基的酸性强度。通过1H／27Al TRAPDOR方法结合变温实验，我们首次观测到了MCM-41中桥式羟基的1H NMR信号，得到了它的化学位移（3.5ppm）。通过定量研究，我们发现桥式羟基的浓度比硅羟基的低两个数量级，因而找到了过去认为在Al-MCM-41中Br（?）nsted酸是“NMR不可观测”的原因。在后负载铝的介孔MCM-48分子筛的研究中，我们证实了后处理方法可以成功地将铝负载到骨架上，并且将Br（?）nsted.酸引入

关键词：固体NMR 探针分子酸性位多共振分子筛 MCM-22 MCM-41 MCM-48

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