Физические системы часто имеют характерные частоты. При возбуждении на такой частоте они начинают резонировать.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) обычно полагается на вековой резонанс, который возникает, когда энергия радиочастотных фотонов, используемых при измерении, соответствует энергии, необходимой для переворота 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.
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 исходя из 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 на своей частоте Лармора. Если радиочастота совпадает с частотой Лармора, движение спина и направление 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 $𝛼$), либо антипараллельно (состояние с более высокой энергией $𝛽$).
Невековые компоненты не оказывают существенного 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 новом эксперименте 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. Кроме того, соседние ядра находятся близко друг к другу, что приводит к большим магнитным диполь-дипольным взаимодействиям.
Теоретики предложили эксперимент, в котором радиочастота будет переключена с векового резонанса на частоте Лармора на невековой резонанс примерно в два раза выше частоты Лармора.
Юркутат и его коллеги добились успеха, выполнив предложенный эксперимент по-другому. Вместо переключения частоты с вековой на невековую они применили скачки магнитного поля и провели всё облучение на одной частоте.
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 изобретательному эксперименту со скачками поля.
Новое направление исследований включает в себя 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, поскольку электронные спины имеют гораздо большие магнитные моменты и сильнее взаимодействуют с электромагнитными полями.