電子スピン共鳴とは？

電子スピン共鳴（ESR）は、常磁性材料（外部磁場にさらされると磁性を帯びる材料）で使用される分光法の一種です。 ESRは、電子常磁性共鳴（EPR）とも呼ばれます。 電子スピン共鳴は、化学および生物学でさまざまな用途があり、量子コンピューティングなどの分野でも用途があります。

電子は電荷を持ち、スピンします。 したがって、磁気モーメントを誘発します。 外部磁場に置かれた場合、電子の磁気モーメントは磁場の方向に揃います。 電子が磁場の反対方向に整列することも可能ですが、これはより多くのエネルギーを必要とし、電子の自然な状態ではありません。 これは、電子スピン共鳴の科学的基盤です。

ESRでは、余分な電子または対になっていない分子を含む物質が磁場に置かれ、通常はマイクロ波の形でエネルギーがそれに加えられます。 不対電子は電磁エネルギーを吸収し、磁気モーメントを外部から印加された磁場の反対に再調整することにより、より高いエネルギー状態に移行します。 電子に吸収されるエネルギーの周波数は、電子が結合している分子の化学構造を示します。 このようにして、電子スピン共鳴を使用して、さまざまな材料の化学組成を決定できます。

物質に不対電子があることが重要です。 これは、パウリの排除原理によると、ペア電子が反対方向にスピンを持ち、したがって、正味の磁気モーメントがないためです。 これらの材料は反磁性として知られており、ESRには適していません。

他の共鳴分光技術と同様に、電子スピン共鳴で使用さ​​れる電子は、緩和され、より低いエネルギー状態に戻らなければなりません。 そうでない場合、すべての電子が励起され、それ以上の吸収は不可能になります。 この場合、測定するものはなく、結果として信号は生成されません。 電子が周囲にエネルギーを与えるスピン格子緩和と、電子が別の電子にエネルギーを与えるスピンスピン緩和は、緩和が発生する2つの方法です。

ESRは、フリーラジカルの検出に特に適しています。フリーラジカルは、不対電子を含む反応性の高い分子のセットです。 フリーラジカルは、いくつかの病気、中毒、さらには癌の原因であることが知られています。 また、既知の速度で歯のエナメル質の腐敗を引き起こします。つまり、電子スピン共鳴を使用して、歯、ひいては人間とデートすることができます。 過剰なフリーラジカルは、賞味期限を過ぎたビールやワインにも含まれています。

ESRは、いくつかの最先端技術の有力候補でもあります。 これらには、人工光合成と量子コンピューティングが含まれます。 後者では、ESRを微調整して電子グループではなく単一の電子で動作させることにより、電子の磁気モーメントのエネルギー状態に対応する論理ゲートを作成できます。