Nukleare Magnetische Resonanz (NMR)

Inhaltsverzeichnis

1. 1. 1. Beschreibung
      2. Physikalischer Hintergrund
      3. Instrumentelle Ausstattung

Beschreibung

Die Kernspinresonanz (NMR – nuclear magnetic resonance) ist eine Methode der lokalen magnetischen Sonden. Sie benutzt das magnetische Moment von Atomkernen und erlaubt so die Observation magnetischer (und elektrischer) Felder mit hoher Präzision in einer Festkörper- oder Flüssigkeitsprobe direkt am Kernort. Sehr verbreitet ist die NMR in der Chemie oder der Medizin. Jedoch findet sie auch in der Festkörperphysik rege Anwendung. Mit der NMR werden mikroskopische Informationen zu Dia-/Paramagnetismus, magnetischer Ordnung, Supraleitung usw. zugänglich. Außerdem können Rückschlüsse auf dynamische Eigenschaften von korrelierten Elektronensystemen wie magnetische (Spin-)Fluktuation gezogen werden.

Es lässt sich eine Vielzahl interessanter Systeme und Phänomene aus der Festkörperphysik sinnvoll mit der NMR untersuchen, darunter frustrierter Magnetismus, niederdimensionale Spinsysteme, molekulare Magnete, exotische hochkorrelierte Metalle wie Schwere-Fermionen-Systeme, unkonventionelle Supraleiter und andere.

Meist wird ein zusätzliches externes Magnetfeld angelegt, um NMR durchführen zu können. Für unsere Experimente stehen am IFP zwei supraleitende Elektromagnete bis zu 15 T zur Verfügung. Weiterhin führen unsere Wissenschaftler NMR in größeren magnetischen Feldern an externen Hochfeldlaboren (NHMFL, EMFL) durch.

Physikalischer Hintergrund

Viele Atomkerne besitzen einen Drehimpuls I (=Kernspin), der von Null abweicht. Diese Nuklei kommen laut Quantenmechanik in 2I+1 möglichen Zuständen vor, deren energetische Entartung durch den Zeeman-Effekt im magnetischen Feld und dem elektrischen Feldgradienten aufgehoben wird. Analog zu Atomen im Laser können die Kerne durch Einstrahlen von Photonen im Radiofrequenz(RF)-bereich resonant an- und abgeregt werden. Nach dem Einstrahlen von wohldefinierten RF-Pulsen folgen die Kernspins einer Präzessionsbewegung, was wiederum in einer schnell rotierenden Magnetisierung der Probe mündet. Diese Magnetisierung kann schließlich durch die Induktion einer Spannung in einer Spule gemessen werden. Das Frequenzspektrum, bei der die Atomkerne angeregt werden, gibt Auskunft über das lokale statische Magnetfeld und ferner dem elektrischen Feldgradienten am Kernort. Nach einem RF-Puls ist der Kern nicht mehr im thermischen Gleichgewicht. Die anschließende Relaxation zurück in den Gleichgewichtszustand ist auf die Hyperfeinkopplung zum elektronischen System begründet. Sie wird durch zwei charakteristische Zeiten beschrieben: T₁ und T₂. Diese beinhalten wertvolle Informationen zu den dynamischen Wechselwirkungen der Elektronen untereinander.

Instrumentelle Ausstattung

• 2-Kanal 750 MHz Spektrometer Tecmag Apollo
• 125 MHz Spektrometer Tecmag LapNMR
• supraleitender Magnet 8T (variabel) mit Badkryostat
• supraleitender Magnet 15T (variabel) mit Badkryostat
• Probenstäbe für Frequenzen von 500 kHz bis 750 MHz
• ⁴He continuous-flow Einsatzkryostate (bis 1,4 K)
• ⁴He continuous-flow Kryostat (bis 4,2 K)
• in Arbeit: ³He-⁴He Mischungskryostat (bis 50 mK)