Elektronenspinresonanz (ESR) ist eine Form der Spektroskopie, die an paramagnetischen Materialien verwendet wird – Materialien, die magnetisch werden, wenn sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden. ESR wird auch als paramagnetische Elektronenresonanz oder EPR bezeichnet. Die Elektronenspinresonanz hat eine Vielzahl von Anwendungen in der Chemie und Biologie und wird sogar in Bereichen wie dem Quantencomputing verwendet.
Ein Elektron trägt eine Ladung und dreht sich. Es induziert daher ein magnetisches Moment. Wenn es in ein externes Magnetfeld gelegt wird, richtet sich das magnetische Moment des Elektrons nach der Richtung des Magnetfelds aus. Es ist auch möglich, dass sich das Elektron in die entgegengesetzte Richtung des Magnetfelds ausrichtet, dies erfordert jedoch mehr Energie und ist nicht der natürliche Zustand des Elektrons. Dies ist die wissenschaftliche Grundlage für die Elektronenspinresonanz.
Bei der ESR wird eine Substanz mit Molekülen, die zusätzliche oder ungepaarte Elektronen aufweisen, in ein Magnetfeld gebracht und mit Energie, normalerweise in Form von Mikrowellen, beaufschlagt. Die ungepaarten Elektronen absorbieren die elektromagnetische Energie und bewegen sich in einen höheren Energiezustand, indem sie ihre magnetischen Momente neu ausrichten, damit sie dem von außen angelegten Magnetfeld entgegengesetzt sind. Die Frequenz der von den Elektronen absorbierten Energie zeigt die chemische Struktur des Moleküls an, an das sie gebunden sind. Auf diese Weise kann die Elektronenspinresonanz verwendet werden, um die chemische Zusammensetzung verschiedener Materialien zu bestimmen.
Es ist wichtig, dass die Substanz ungepaarte Elektronen hat. Dies liegt daran, dass gepaarte Elektronen gemäß dem Pauli-Ausschlussprinzip Spins in entgegengesetzte Richtungen und daher kein magnetisches Nettomoment haben. Diese Materialien werden als diamagnetisch bezeichnet und sind nicht für ESR geeignet.
Wie bei anderen Resonanzspektroskopietechniken muss den Elektronen, die bei der Elektronenspinresonanz verwendet werden, ermöglicht werden, sich zu entspannen und in ihre niedrigeren Energiezustände zurückzukehren. Andernfalls werden alle Elektronen angeregt und es ist keine weitere Absorption möglich. In diesem Fall gibt es nichts zu messen und folglich wird kein Signal erzeugt. Spin-Gitter-Relaxation, bei der ein Elektron an seine Umgebung Energie abgibt, und Spin-Spin-Relaxation, bei der ein Elektron einem anderen Elektron Energie abgibt, sind die beiden Methoden, bei denen Relaxation auftreten kann.
ESR eignet sich besonders gut zum Nachweis von freien Radikalen, bei denen es sich um hochreaktive Moleküle mit ungepaarten Elektronen handelt. Freie Radikale sind bekanntermaßen die Ursache für verschiedene Krankheiten, Vergiftungen und sogar Krebs. Sie verursachen auch den Zerfall des Zahnschmelzes mit einer bekannten Rate, was bedeutet, dass die Elektronenspinresonanz verwendet werden kann, um Zähne und damit auch den Menschen zu datieren. Überschüssige freie Radikale sind auch in Bier und Wein vorhanden, die ihre Haltbarkeit überschritten haben.
ESR ist auch ein führender Kandidat in mehreren Spitzentechnologien. Dazu gehören die künstliche Photosynthese und das Quantencomputing. Im letzteren Fall kann durch Feinabstimmung von ESR auf ein einzelnes Elektron anstelle einer Gruppe von Elektronen ein logisches Gatter erzeugt werden, das den Energiezuständen des magnetischen Moments des Elektrons entspricht.