Qu'est-ce qu'une résonance de spin électronique?
La résonance de spin électronique (ESR) est une forme de spectroscopie utilisée sur des matériaux paramagnétiques - des matériaux qui deviennent magnétiques lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique externe. La RSE est aussi appelée résonance paramagnétique électronique ou RPE. La résonance de spin électronique a de nombreuses applications en chimie et en biologie, et a même des utilisations dans des domaines tels que l'informatique quantique.
Un électron porte une charge et tourne. Il induit donc un moment magnétique. S'il est placé dans un champ magnétique externe, le moment magnétique de l'électron s'alignera avec la direction du champ magnétique. Il est également possible que l'électron s'aligne dans la direction opposée du champ magnétique, mais cela nécessite plus d'énergie et n'est pas l'état naturel de l'électron. C'est la base scientifique de la résonance de spin électronique.
Avec la RSE, une substance contenant des molécules possédant des électrons supplémentaires ou non appariés est placée dans un champ magnétique et une énergie, généralement sous la forme de micro-ondes, lui est appliquée. Les électrons non appariés vont absorber l'énergie électromagnétique et passer à un état d'énergie plus élevé en réalignant leurs moments magnétiques de manière à ce qu'ils soient opposés au champ magnétique appliqué de l'extérieur. La fréquence de l'énergie absorbée par les électrons indique la structure chimique de la molécule à laquelle ils sont attachés. De cette façon, la résonance de spin électronique peut être utilisée pour déterminer la composition chimique de différents matériaux.
Il est essentiel que la substance ait des électrons non appariés. En effet, selon le principe d'exclusion de Pauli, les électrons appariés auront des spins dans des directions opposées et, par conséquent, aucun moment magnétique net. Ces matériaux sont connus comme diamagnétiques et ne conviennent pas à la RSE.
Comme avec d'autres techniques de spectroscopie de résonance, les électrons utilisés en résonance de spin électronique doivent pouvoir se détendre et revenir à leurs états d'énergie plus faible. Sinon, tous les électrons seront excités et aucune autre absorption ne sera possible. Dans ce cas, il n'y aura rien à mesurer et, par conséquent, aucun signal ne sera produit. La relaxation spin-réseau, où un électron donne de l'énergie à son environnement, et la relaxation spin-spin, où un électron donne de l'énergie à un autre électron, sont les deux méthodes par lesquelles la relaxation peut se produire.
La RSE est particulièrement bien adaptée à la détection des radicaux libres, qui sont un ensemble de molécules hautement réactives avec des électrons non appariés. Les radicaux libres sont à l'origine de plusieurs maladies, intoxications et même de cancers. Ils provoquent également la désintégration de l'émail des dents à un taux connu, ce qui signifie que la résonance de spin électronique peut être utilisée pour dater les dents et, par extension, les humains. Les radicaux libres en excès sont également présents dans la bière et le vin qui ont dépassé leur durée de vie.
ESR est également un candidat de premier plan dans plusieurs technologies de pointe. Celles-ci incluent la photosynthèse artificielle et l'informatique quantique. Dans ce dernier cas, il est possible de créer une porte logique correspondant à l’état d’énergie du moment magnétique de l’électron en réglant la RSE sur un seul électron au lieu d’un groupe d’électrons.