전자 스핀 공명이란?

전자 스핀 공명 (ESR)은 상자성 물질 (외부 자기장에 노출 될 때 자성이있는 물질)에 사용되는 일종의 분광법입니다. ESR은 전자 상자성 공명 또는 EPR이라고도합니다. 전자 스핀 공명은 화학 및 생물학에서 다양한 응용 분야를 가지고 있으며 심지어 양자 컴퓨팅과 같은 분야에서도 사용됩니다.

전자는 전하를 가지고 회전합니다. 따라서 자기 모멘트를 유도합니다. 외부 자기장에 배치되면 전자의 자기 모멘트가 자기장의 방향과 정렬됩니다. 전자가 자기장의 반대 방향으로 정렬 될 수도 있지만, 이것은 더 많은 에너지를 필요로하며 전자의 자연 상태가 아니다. 이것이 전자 스핀 공명에 대한 과학적 기초입니다.

ESR을 사용하면 여분의 또는 짝을 이루지 않은 전자를 가진 분자가있는 물질이 자기장에 놓여지고 일반적으로 마이크로파 형태의 에너지가 적용됩니다. 짝을 이루지 않은 전자는 전자기 에너지를 흡수하고 자기 모멘트를 외부 적으로 적용되는 자기장의 반대 방향으로 재조정하여 더 높은 에너지 상태로 이동합니다. 전자가 흡수하는 에너지의 빈도는 이들이 부착 된 분자의 화학 구조를 나타냅니다. 이러한 방식으로, 전자 스핀 공명을 사용하여 상이한 물질의 화학적 조성을 결정할 수있다.

물질이 짝을 이루지 않은 전자를 갖는 것이 중요합니다. 이는 Pauli Exclusion Principle에 따라 쌍을 이루는 전자가 반대 방향으로 회전하기 때문에 순 자기 모멘트가 없기 때문입니다. 이 재료는 반자성으로 알려져 있으며 ESR에 적합하지 않습니다.

다른 공명 분광법과 마찬가지로 전자 스핀 공명에 사용되는 전자는 휴식을 취하고 더 낮은 에너지 상태로 되돌아 가도록해야합니다. 그렇지 않으면 모든 전자가 여기되며 더 이상의 흡수가 불가능합니다. 이 경우, 측정 할 것이 없으며 결과적으로 신호가 생성되지 않습니다. 전자가 주변에 에너지를 공급하는 스핀-격자 이완과 전자가 다른 전자에게 에너지를 제공하는 스핀-스핀 이완은 이완이 일어날 수있는 두 가지 방법이다.

ESR은 특히 자유 라디칼의 검출에 매우 적합합니다. 자유 라디칼은 짝을 이루지 않은 전자를 가진 고 반응성 분자 세트입니다. 자유 라디칼은 여러 질병, 중독 및 심지어 암의 원인으로 알려져 있습니다. 그들은 또한 알려진 속도로 치아 법랑질의 부패를 일으킨다. 이는 전자 스핀 공명을 사용하여 치아와 인간 연장에 사용할 수 있음을 의미한다. 유효 수명이 지난 맥주와 와인에도 과도한 유리기가 존재합니다.

ESR은 또한 여러 첨단 기술의 주요 후보입니다. 여기에는 인공 광합성 및 양자 컴퓨팅이 포함됩니다. 후자의 경우, 전자 그룹 대신 단일 전자에 작용하도록 ESR을 미세 조정함으로써, 전자 자기 모멘트의 에너지 상태에 대응하는 논리 게이트가 생성 될 수있다.