Co je to rezonance elektronového spinu?

Elektronová spinová rezonance (ESR) je forma spektroskopie používané na paramagnetických materiálech - materiály, které se stávají magnetickými, když jsou vystaveny externímu magnetickému poli. ESR je také označován jako elektronová paramagnetická rezonance nebo EPR. Rezonance elektronové spiny má řadu aplikací v chemii a biologii a dokonce má použití v polích, jako je kvantový výpočet.

Elektron nese náboj a otočení. Proto vyvolává magnetický okamžik. Pokud je umístěn do externího magnetického pole, magnetický moment elektronů bude v souladu se směrem magnetického pole. Je také možné, aby se elektron vyrovnal v opačném směru magnetického pole, ale to vyžaduje více energie a není to přirozený stav elektronu. Toto je vědecký základ pro rezonanci elektronového spinu.

S ESR se na ni aplikuje látka s molekulami, které mají extra nebo nepárové elektrony, obvykle ve formě mikrovln.Neovolněné elektrony absorbují elektromagnetickou energii a přesunou se do stavu s vyšší energií tím, že jejich magnetické momenty budou opakem externě aplikovaného magnetického pole. Frekvence energie absorbované elektrony označuje chemickou strukturu molekuly, ke které jsou připojeny. Tímto způsobem lze rezonanci elektronové spiny použít k určení chemického složení různých materiálů.

Je důležité, aby látka měla nepárové elektrony. Je to proto, že párové elektrony, podle principu vyloučení Pauli, budou mít otočení v opačných směrech, a proto žádný čistý magnetický okamžik. Tyto materiály jsou známé jako diamagnetické a nejsou vhodné pro ESR.

Stejně jako u jiných rezonančních spektroskopických technik musí být elektrony použité v rezonanci elektronové spiny relaxovat a vrátit se do svých nižších energetických stavů. Pokud ne, všechny elektrony budou excitováno a žádná další absorpce nebude možná. V tomto případě nebude nic měřit, a v důsledku toho nebude vytvořen žádný signál. Relaxace s rotací, kde elektron dává energii svému okolí, a relaxace spin-spin, kde elektron dává energii dalšímu elektronu, jsou dvě metody, při kterých může dojít k relaxaci.

ESR je zvláště vhodný pro detekci volných radikálů, které jsou sadou vysoce reaktivních molekul s nepárovými elektrony. Je známo, že volné radikály jsou příčinou několika nemocí, otrav a dokonce i rakovin. Způsobují také rozpad zubního smalpu známou rychlostí, což znamená, že rezonance elektronové spiny lze použít k datu zubů a prodloužení lidí. Přebytečné volné radikály jsou také přítomny v pivu a víně, které jsou po jejich trvanlivosti.

ESR je také předním kandidátem v několika špičkových technologiích. Patří mezi ně umělá fotosyntéza a kvantové výpočty. V posledně jmenovaném jemném doladění ESR WORK na jednom elektrálu místo skupiny elektronů lze vytvořit logickou bránu, která odpovídá energetickým stavám magnetického okamžiku elektronů.