Sowohl die Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie), die zur Analyse von Festkörpern oder organischen Molekülen in Flüssigkeiten genutzt wird, als auch die medizinische Kernspintomographie (MRT) basieren auf dem Prinzip der Kernspinresonanz. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Leipzig haben nun erstmals experimentell nachgewiesen, dass sich die Messverfahren erweitern lassen.
Grundlagen der Kernspinresonanz
Kernspinresonanz beruht darauf, dass viele Atomkerne einen Eigendrehimpuls – einen Spin – besitzen, der in einem äußeren Magnetfeld zwei Energiezustände einnehmen kann: in Richtung oder gegen die Richtung des Feldes. Werden nun elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz eingestrahlt, deren Energie genau dem Energieunterschied der beiden Zustände des Atomkerns entspricht, klappen die Spins um. Die Stärke der Absorption und Emission dieser Wellen können gemessen werden. Diese materialabhängige Resonanzfrequenz bezeichnet sich als Larmorfrequenz.
Neue Resonanzfrequenzen im Experiment
Die Forschenden konnten nun nachweisen, dass es weitere Resonanzen gibt, die weit außerhalb des Bereichs der Larmorfrequenz liegen. Obwohl diese Phänomene theoretisch vorhergesagt wurden, blieben sie aufgrund ihrer geringen Effekte bisher unentdeckt. „Als Probematerial nutzten wir einen Calciumfluorid-Einkristall, in dem Fluoratome in einem würfelförmigen Gitter angeordnet sind“, erklärt Dr. Benno Meier vom Institut für Biologische Grenzflächen 4 des KIT. „Der Trick war, dass wir die Stärke des Magnetfeldes mehrmals sprunghaft änderten. So entdeckten wir Resonanzfrequenzen weit weg von der Larmorfrequenz. Die experimentellen Ergebnisse stimmen hervorragend mit den theoretischen Vorhersagen überein.“
Eine Übertragung der Ergebnisse auf die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie, die in der Biophysik und in den Materialwissenschaften eingesetzt wird, verspricht ebenfalls neue Anwendungen.