Hva er en elektronspinnresonans?

Elektronspinnresonans (ESR) er en form for spektroskopi brukt på paramagnetiske materialer - materialer som blir magnetiske når de blir utsatt for et eksternt magnetfelt. ESR blir også referert til som elektronparamagnetisk resonans, eller EPJ. Elektronspinnresonans har en rekke anvendelser innen kjemi og biologi, og har til og med bruksområder innen felt som kvanteberegning.

Et elektron har en ladning og snurrer. Det induserer derfor et magnetisk moment. Hvis det er plassert i et eksternt magnetfelt, vil elektronets magnetiske moment stemme overens med magnetfeltets retning. Det er også mulig for elektronet å samkjøre i motsatt retning av magnetfeltet, men dette krever mer energi og er ikke elektronets tilstand. Dette er det vitenskapelige grunnlaget for elektronspinnresonans.

Med ESR blir et stoff med molekyler som har ekstra, eller uparmerte, elektroner plassert i et magnetfelt og energi, vanligvis i form av mikrobølger, blir brukt på det. De uparmerte elektronene vil absorbere den elektromagnetiske energien og bevege seg til en høyere energitilstand ved å justere magnetmomentene på nytt for å være motsatt av det eksternt påførte magnetfeltet. Frekvensen av energi som absorberes av elektronene indikerer den kjemiske strukturen til molekylet de er knyttet til. På denne måten kan elektronspinnresonans brukes til å bestemme den kjemiske sammensetningen av forskjellige materialer.

Det er kritisk at stoffet har uparede elektroner. Dette er fordi sammenkoblede elektroner, ifølge Pauli-eksklusjonsprinsippet, vil ha spinn i motsatte retninger og derfor ikke noe nettomagnetisk moment. Disse materialene er kjent som diamagnetiske og er ikke egnet for ESR.

Som med andre resonansspektroskopiteknikker, må elektronene som brukes i elektronspinnresonans, få lov til å slappe av og gå tilbake til deres lavere energitilstander. Hvis ikke, vil alle elektronene bli begeistret og ingen ytterligere absorpsjon vil være mulig. I dette tilfellet vil det ikke være noe å måle, og følgelig vil det ikke bli produsert noe signal. Spin-gitteravslapning, der et elektron gir energi til omgivelsene, og spinn-spinn-avslapning, der et elektron gir energi til et annet elektron, er de to metodene der avslapning kan oppstå.

ESR er spesielt godt egnet til påvisning av frie radikaler, som er et sett med svært reaktive molekyler med uparmerte elektroner. Det er kjent at frie radikaler er årsaken til flere sykdommer, forgiftninger og til og med kreftformer. De forårsaker også forfall av tannemaljen med en kjent hastighet, noe som betyr at elektronspinnresonans kan brukes til å date tenner og i forlengelse av mennesker. Overskytende frie radikaler er også til stede i øl og vin som er forbi holdbarheten.

ESR er også en ledende kandidat innen flere nyskapende teknologier. Disse inkluderer kunstig fotosyntese og kvanteberegning. I det siste, ved å finjustere ESR til å jobbe på et enkelt elektron i stedet for en gruppe elektroner, kan det opprettes en logikkport som tilsvarer energitilstandene til elektronets magnetiske moment.