Spinrelaxatie

Spinrelaxatie is het proces waarbij de populaties van spinstaten en de coherentie tussen spins in een magnetisch systeem terugkeren naar thermisch evenwicht nadat het systeem kortstondig is uit evenwicht gebracht door een extern magnetisch veld. InNMR en EPR wordt onderscheid gemaakt tussen spinlattice-relaxatie (T1) en spin-spin-relaxatie (T2). Bij T1 keert de populatie van de z-component van de magnetisatie terug naar de Boltzmann-verdeling door interacties met de lattice; bij T2 verdwijnt de coherentie tussen verschillende spinhoeken sneller door fluctuaties van lokale magnetische velden.

Bloch-achtige vergelijkingen beschrijven de relaxatie: dMx/dt = γ(My Bz − Mz By) − Mx/T2, dMy/dt = γ(Mz Bx − Mx Bz) − My/T2, en dMz/dt = γ(Mx By − My Bx) − (Mz − M0)/T1. Relaxatie ontstaat door fluctuaties van lokale veldcomponenten op de Larmorfrequentie, of nabij die frequenties.

Belangrijke mechanismen zijn dipool-dipoolinteracties tussen spins, spin-phonon- of spin-lattice-koppeling via latticevibraties, en anisotropische verschuivingen (chemische verschuivinganisotropie). In vloeistoffen worden relaxaties sterk beïnvloed door moleculaire bewegingen met karakteristieke correlatietijd τc; de relaxatie-activiteit kan worden beschreven met de spectrale dichtheid J(ω) van deze fluctuaties. T1 en T2 hangen af van J(ω0) en soortgelijke waarden; in veel systemen is T2 korter dan of gelijk aan 2T1.

Metingen worden uitgevoerd met invert-recovery voor T1 en met spin-echo voor T2; deze tijden leveren informatie over moleculaire dynamiek, omgeving en materiaalstructuur. Toepassingen omvatten NMR- en MRI-contrast, materiaalonderzoek en biomedische studies; in EPR leveren soortgelijke mechanismen informatie over lokale velden en dynamiek.