La risonanza di spin elettronico (ESR) è una forma di spettroscopia utilizzata su materiali paramagnetici, materiali che diventano magnetici se esposti a un campo magnetico esterno. L’ESR viene anche chiamato risonanza paramagnetica elettronica o EPR. La risonanza di spin elettronico ha una varietà di applicazioni in chimica e biologia e ha anche usi in campi come l’informatica quantistica.
Un elettrone trasporta una carica e ruota. Induce quindi un momento magnetico. Se posto in un campo magnetico esterno, il momento magnetico dell’elettrone si allineerà con la direzione del campo magnetico. È anche possibile che l’elettrone si allinei nella direzione opposta del campo magnetico, ma ciò richiede più energia e non è lo stato naturale dell’elettrone. Questa è la base scientifica per la risonanza di spin dell’elettrone.
Con l’ESR, una sostanza con molecole che hanno elettroni in più, o spaiati, viene posta in un campo magnetico e ad essa viene applicata energia, solitamente sotto forma di microonde. Gli elettroni spaiati assorbiranno l’energia elettromagnetica e si sposteranno a uno stato energetico più elevato riallineando i loro momenti magnetici in modo che siano opposti al campo magnetico applicato esternamente. La frequenza dell’energia assorbita dagli elettroni indica la struttura chimica della molecola a cui sono attaccati. In questo modo, la risonanza di spin elettronico può essere utilizzata per determinare la composizione chimica di diversi materiali.
È fondamentale che la sostanza abbia elettroni spaiati. Questo perché gli elettroni accoppiati, secondo il principio di esclusione di Pauli, avranno spin in direzioni opposte e, quindi, nessun momento magnetico netto. Questi materiali sono noti come diamagnetici e non sono adatti per ESR.
Come con altre tecniche di spettroscopia di risonanza, gli elettroni utilizzati nella risonanza di spin elettronico devono potersi rilassare e tornare ai loro stati energetici inferiori. In caso contrario, tutti gli elettroni saranno eccitati e non sarà possibile un ulteriore assorbimento. In questo caso non ci sarà nulla da misurare e, di conseguenza, non verrà prodotto alcun segnale. Il rilassamento spin-reticolo, in cui un elettrone fornisce energia all’ambiente circostante, e il rilassamento spin-spin, in cui un elettrone dà energia a un altro elettrone, sono i due metodi con cui può verificarsi il rilassamento.
L’ESR è particolarmente adatto alla rilevazione dei radicali liberi, che sono un insieme di molecole altamente reattive con elettroni spaiati. I radicali liberi sono noti per essere la causa di diverse malattie, avvelenamenti e persino tumori. Causano anche il decadimento dello smalto dei denti a una velocità nota, il che significa che la risonanza di spin degli elettroni può essere utilizzata per datare i denti e, per estensione, gli esseri umani. I radicali liberi in eccesso sono presenti anche nella birra e nel vino che hanno superato la loro durata di conservazione.
ESR è anche un candidato leader in diverse tecnologie all’avanguardia. Questi includono la fotosintesi artificiale e l’informatica quantistica. In quest’ultimo, mettendo a punto l’ESR per lavorare su un singolo elettrone anziché su un gruppo di elettroni, è possibile creare una porta logica che corrisponde agli stati energetici del momento magnetico dell’elettrone.