La résonance de spin électronique (ESR) est une forme de spectroscopie utilisée sur des matériaux paramagnétiques, des matériaux qui deviennent magnétiques lorsqu’ils sont exposés à un champ magnétique externe. L’ESR est également appelée résonance paramagnétique électronique ou EPR. La résonance de spin électronique a une variété d’applications en chimie et en biologie, et a même des utilisations dans des domaines tels que l’informatique quantique.
Un électron porte une charge et tourne. Il induit donc un moment magnétique. S’il est placé dans un champ magnétique externe, le moment magnétique de l’électron s’alignera avec la direction du champ magnétique. Il est également possible que l’électron s’aligne dans la direction opposée du champ magnétique, mais cela nécessite plus d’énergie et n’est pas l’état naturel de l’électron. C’est le fondement scientifique de la résonance de spin électronique.
Avec l’ESR, une substance contenant des molécules contenant des électrons supplémentaires ou non appariés est placée dans un champ magnétique et de l’énergie, généralement sous forme de micro-ondes, lui est appliquée. Les électrons non appariés absorberont l’énergie électromagnétique et passeront à un état d’énergie plus élevé en réalignant leurs moments magnétiques pour qu’ils soient opposés au champ magnétique appliqué de l’extérieur. La fréquence d’énergie absorbée par les électrons indique la structure chimique de la molécule à laquelle ils sont attachés. De cette façon, la résonance de spin électronique peut être utilisée pour déterminer la composition chimique de différents matériaux.
Il est essentiel que la substance ait des électrons non appariés. En effet, les électrons appariés, selon le principe d’exclusion de Pauli, auront des spins dans des directions opposées et, par conséquent, aucun moment magnétique net. Ces matériaux sont dits diamagnétiques et ne conviennent pas à l’ESR.
Comme avec d’autres techniques de spectroscopie de résonance, les électrons utilisés dans la résonance de spin électronique doivent pouvoir se détendre et revenir à leurs états d’énergie inférieurs. Sinon, tous les électrons seront excités et aucune autre absorption ne sera possible. Dans ce cas, il n’y aura rien à mesurer et, par conséquent, aucun signal ne sera produit. La relaxation spin-réseau, où un électron donne de l’énergie à son environnement, et la relaxation spin-spin, où un électron donne de l’énergie à un autre électron, sont les deux méthodes par lesquelles la relaxation peut se produire.
L’ESR est particulièrement bien adapté à la détection des radicaux libres, qui sont un ensemble de molécules très réactives avec des électrons non appariés. Les radicaux libres sont connus pour être la cause de plusieurs maladies, empoisonnements et même cancers. Ils provoquent également la carie de l’émail des dents à un rythme connu, ce qui signifie que la résonance de spin électronique peut être utilisée pour dater les dents et, par extension, les humains. Des radicaux libres en excès sont également présents dans la bière et le vin qui ont dépassé leur durée de conservation.
ESR est également un candidat de premier plan dans plusieurs technologies de pointe. Il s’agit notamment de la photosynthèse artificielle et de l’informatique quantique. Dans ce dernier cas, en ajustant ESR pour travailler sur un seul électron au lieu d’un groupe d’électrons, une porte logique peut être créée qui correspond aux états d’énergie du moment magnétique de l’électron.