elektronspinnresonans

Elektronenspinnresonanz (ESR), international auch als Electron Spin Resonance oder Electron Paramagnetic Resonance bekannt, ist eine Spektroskopiemethode zur Untersuchung von Materialien mit ungepaarten Elektronenspins. In einem statischen Magnetfeld B werden Mikrowellen mit Frequenz ν eingesetzt, um Übergänge zwischen Spinzuständen des ungepaarten Elektrons zu erzeugen. Die Resonanzbedingung hν = g μB B gilt, wobei g der g-Faktor und μB das Bohrsche Magneton ist; in Festkörpern kann der g-Tensor anisotrop sein und Hyperfeinwechselwirkungen zu benachbarten Kernen die Spektren aufspalten.

Die Experimente finden typischerweise in einem Mikrowellenresonator statt, meist bei Frequenzen im X-Band um 9–10 GHz. Es gibt kontinuierliche-Wellen-ESR (CW-ESR) sowie pulsed ESR-Methoden, die zeitliche Informationen über die Spins liefern. Die Detektion erfolgt durch Messung der absorbierten Mikrowellenleistung, oft mit Magnetfeldmodulation und Phasenempfang. Aus dem Spektrum lassen sich Informationen über das elektronische Umfeld des ungepaarten Elektrons, Typ und Umgebung des Radikals sowie Wechselwirkungen mit benachbarten Kernen ableiten.

Anwendungen umfassen die Charakterisierung freier Radikale in chemischen Reaktionen, Übergangsmetallkomplexe, Defekte in Festkörpern und Halbleitern sowie biomolekulare Systeme wie Proteine und Enzyme. Pulsed-ESR-Techniken ermöglichen Distanzmessungen zwischen Spins (DEER/pulsed EPR) und zeitaufgelöste Experimente. ESR-Datierung nutzt stabile Radikale zur Altersbestimmung in Geologie und Archäologie.

Historisch entstand ESR in den 1940er Jahren unabhängig von Forschern wie Yevgeny Zavoisky; seitdem hat sich die Methode zu einer etablierten Analytik in Chemie, Physik, Biologie und Materialwissenschaft entwickelt. Zu den Einschränkungen gehören die Notwendigkeit ungepaarter Spins, Empfindlichkeitsgrenzen, Spektrenbreite durch Bewegungen sowie g-Anisotropie.