Hvad er en elektronspinsresonans?
Elektronspinresonans (ESR) er en form for spektroskopi, der bruges på paramagnetiske materialer - materialer, der bliver magnetiske, når de udsættes for et eksternt magnetfelt. ESR benævnes også elektronisk paramagnetisk resonans eller EPJ. Elektronspinresonans har en række anvendelser inden for kemi og biologi og har endda anvendelser inden for områder som kvanteberegning.
En elektron bærer en opladning og drejer. Det inducerer derfor et magnetisk øjeblik. Hvis det er placeret i et eksternt magnetfelt, vil elektronens magnetiske øjeblik stemme overens med magnetfeltets retning. Det er også muligt for elektronet at justere i den modsatte retning af magnetfeltet, men dette kræver mere energi og er ikke elektronens naturlige tilstand. Dette er det videnskabelige fundament for elektronisk spin-resonans.
Med ESR anbringes et stof med molekyler, der har ekstra eller uparmerede, elektroner i et magnetfelt, og energi, normalt i form af mikrobølger, påføres det. De uparrede elektroner optager den elektromagnetiske energi og bevæger sig til en højere energitilstand ved at justere deres magnetiske øjeblikke til at være modsat det magnetisk felt, der er påført eksternt. Frekvensen af energi, der absorberes af elektronerne, indikerer den kemiske struktur i molekylet, som de er bundet til. På denne måde kan elektronspinsresonans anvendes til at bestemme den kemiske sammensætning af forskellige materialer.
Det er kritisk, at stoffet har parrede elektroner. Dette skyldes, at parrede elektroner ifølge Pauli-udelukkelsesprincippet vil have spins i modsatte retninger og derfor ikke et netto magnetisk moment. Disse materialer er kendt som diamagnetiske og er ikke egnede til ESR.
Som med andre resonansspektroskopiteknikker, skal de elektroner, der anvendes i elektronspindresonans, få lov til at slappe af og vende tilbage til deres lavere energitilstand. Hvis ikke, vil alle elektroner blive begejstret, og ingen yderligere absorption er mulig. I dette tilfælde vil der ikke være noget at måle, og følgelig frembringes intet signal. Spin-gitterafslapning, hvor en elektron giver energi til omgivelserne, og spin-spin-afslapning, hvor en elektron giver energi til en anden elektron, er de to metoder, hvorved afslapning kan forekomme.
ESR er især velegnet til påvisning af frie radikaler, som er et sæt af meget reaktive molekyler med uparrede elektroner. Det er kendt, at frie radikaler er årsagen til flere sygdomme, forgiftninger og endda kræftformer. De forårsager også forfald af tandemalje med en kendt hastighed, hvilket betyder, at elektronspindresonans kan bruges til at datere tænder og, i forlængelse heraf, mennesker. Overskydende frie radikaler er også til stede i øl og vin, der er forbi deres holdbarhed.
ESR er også en førende kandidat inden for flere avancerede teknologier. Disse inkluderer kunstig fotosyntese og kvanteberegning. I sidstnævnte, ved at finjustere ESR til at arbejde på en enkelt elektron i stedet for en gruppe af elektroner, kan der oprettes en logisk port, der svarer til energitilstandene i elektronens magnetiske øjeblik.