Spinrelaxationszeit

Spinrelaxationszeit, often bezeichnet als T1 oder T2, ist ein zeitlicher Parameter, der beschreibt, wie schnell gerichtete Zustände von Spins nach einer Störung wieder ins Gleichgewicht oder in eine Kohärenz gelangen. Sie charakerisieren die Dynamik der Spinpolarisation und der Spinkohärenz in magnetischen Systemen wie Flüssigkeiten, Festkörpern, Molekülen oder Halbleitern.

Die Spinrelaxation wird üblicherweise in zwei Grundtypen unterteilt. Die Spin-Lattice-Relaxationstzeit T1 beschreibt die Erholung der z-Komponente der Magnetisierung zum thermischen Gleichgewicht durch Energieaustausch zwischen Spins und dem Gitter (Lattice). Die Spin-Spin-Relaxationstzeit T2 beschreibt die Zerstreuung der Transversalmagnetisierung aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Spins und lokalen Feldinhomogenitäten, also der Dekohärenz ohne notwendige Energieübertragung. Zusätzlich führt in realen Messungen oft eine Inhomogenität des äußeren Feldes zu einer noch schnelleren scheinbaren Dephasierung, die als T2* bezeichnet wird.

Typische Mechanismen, die T1 beeinflussen, sind Spin-Lattice-Prozesse wie Phononenkäufe (direkter Prozess, Raman- oder Orbach-Prozesse), deren Effizienz von Temperatur und Material abhängt. T2 wird durch Wechselwirkungen zwischen Spins, statische Feldinhomogenitäten, Artefakte der Messtechnik und dynamische Prozesse wie Flipp-Flop-Transfers beeinflusst. In vielen Systemen gilt, dass T2 kürzer als T1 ist, da Dephasing oft auch ohne Energieübertragung erfolgt.

Typische Messmethoden umfassen Inversionsrekursion oder Saturationsrekursion zur Bestimmung von T1 sowie Echo- oder Hahn-Echo-Messungen zur Bestimmung von T2. Die Spinrelaxationszeit ist eine zentrale Größe in NMR, MRT, EPR und in der Quanteninformation, da sie die Länge der Spin-Coherence und die Effizienz von Relaxationsprozessen bestimmt.