Физические системы часто имеют характерные частоты. Когда система возбуждается на такой частоте, она начинает резонировать.
Например, инцидент с мостом Бротон-Подвесным 12 апреля 1831 года показал, как это может привести к катастрофе. Отряд из 74 стрелков шёл по мосту в ногу, случайно совпав с его резонансной частотой. Прежде чем они пересекли мост, он рухнул.
В гораздо меньших масштабах ядерный магнитный резонанс (ЯМР) использует резонансное возбуждение для получения полезной информации. Обычно ЯМР полагается на вековой резонанс, который возникает, когда энергия радиочастотных фотонов, используемых при измерении, соответствует энергии, необходимой для изменения магнитного момента ядра в статическом магнитном поле. Этот вековой резонанс происходит на так называемой частоте Лармора.
Определение структуры химических соединений, экспериментальное наблюдение динамики белков и магнитно-резонансная томография основаны на этом соответствии.
Теперь Майкл Юркутат и его коллеги из Технологического института Карлсруэ и Лейпцигского университета в Германии продемонстрировали новый тип ЯМР, основанный на невековом резонансе, то есть резонанс может возникать далеко от частоты Лармора.
Вековой и невековой резонансы
Для ядра в статическом магнитном поле частота векового резонанса рассчитывается на основе силы поля и магнитного момента ядра.
В отсутствие радиочастотного облучения намагниченность от ядерных спинов параллельна статическому полю и находится в покое. При резонансном облучении вектор намагниченности отклоняется от своего равновесного положения и начинает спиральное движение.
Спираль возникает из-за прецессии вектора намагниченности относительно направления общего магнитного поля. Общее магнитное поле является суммой статического поля и магнитной составляющей радиочастотного поля. Ядерные спины прецессируют с частотой Лармора. Если радиочастота совпадает с частотой Лармора, направление движения спинов и поля остаются синхронизированными. Таким образом, происходит резонансное вековое возбуждение спинов.
Этот общий тип спинового резонанса возникает из вековых компонентов взаимодействия спина с магнитным полем и с другими спинами. Вековые компоненты способствуют расщеплению энергетических уровней спинов.
В сильном магнитном поле ядро выравнивает свой спин либо параллельно полю (состояние с более низкой энергией), либо антипараллельно (состояние с более высокой энергией).
Невековые компоненты не оказывают значительного влияния на энергетические уровни спинов и не влияют на интенсивность обычно наблюдаемых резонансов. Хотя они были предсказаны теоретически, невековые компоненты до сих пор были невидимы в экспериментах.
В своей новой работе Юркутат и его сотрудники продемонстрировали, что эти скрытые невековые компоненты могут вызывать резонансное изменение ядерной намагниченности.
В 2012 году теоретики определили условия, при которых невековые резонансы могут проявляться. В 2016 году они выяснили, что флюорит (CaF₂) хорошо подходит для наблюдения невекового резонанса. Это связано с тем, что ядра фтора-19 в этом минерале имеют большие магнитные моменты.
Юркутат и его коллеги провели эксперимент, применив скачки магнитного поля и выполняя облучение на одной частоте. Они смогли наблюдать невековой резонанс, варьируя второе магнитное поле.
Невековой резонанс ранее не наблюдался, потому что он слишком слаб, когда амплитуда колебательного поля меньше 1% от статического поля. Юркутат и его коллеги смогли преодолеть этот порог благодаря своему эксперименту с прыжками поля.
Интересное новое направление — это распространение их идей на электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), метод, который особенно полезен для изучения соединений с неспаренными электронами, такими как свободные радикалы, которые играют важную роль в биологии и химии.
В ЭПР аналогичный эффект может быть легче наблюдать, потому что электронные спины имеют гораздо большие магнитные моменты и сильнее взаимодействуют с электромагнитными полями. Измерения в диапазоне температур от 4 до 50 К являются обычными в ЭПР-спектроскопии, что приводит к гораздо более высокой тепловой поляризации и, следовательно, к более высокой чувствительности.