Spin-Echo

Die grafische Animation eines Spin-Echos zeigt die Veränderung der Spins (rote Pfeile) in der Bloch-Kugel (blau) als Reaktion auf das äußere Magnetfeld

Das Spin-Echo ist ein Effekt der Quantenmechanik, der insbesondere zur Messung von kernmagnetischen Relaxationszeiten verwendet wird.

Bestimmte Teilchen, wie Elektronen und bestimmte Atomkerne, haben eine quantenmechanische Eigenschaft, die einem Eigendrehimpuls ähnlich ist und Spin heißt. Aufgrund ihrer elektrischen Ladung geht mit diesem Spin ein magnetisches Moment einher, so dass die Spins der Teilchen sich in einem Magnetfeld ausrichten, wodurch eine Magnetisierung entsteht. Nicht alle Spins richten sich aus, aber bei ausreichend starkem Magnetfeld ist die entstehende Magnetisierung messbar. Im Fall von Atomkernen ergibt sich dabei ein Resonanzphänomen, die kernmagnetische Resonanz (NMR), im Fall von Elektronen die Elektronenspinresonanz (ESR).

Durch Anlegen eines zusätzlichen magnetischen Wechselfeldes kann die Richtung der Spins gedreht („Spin-Flip“) werden, wobei der Winkel der Drehung proportional zur Einwirkzeit des Wechselfeldes ist. Genauer gesagt muss das Wechselfeld eine passende Frequenz haben, so dass das Feld in Resonanz mit der Präzession der Spins ist.

Für das Spin-Echo wird nun das Wechselfeld so lange eingeschaltet, dass die Spins um 90° gedreht werden (90°-Puls), also senkrecht zur Richtung des statischen Magnetfeldes sind. Wenn nun das (zeitlich) statische Magnetfeld räumlich variiert, präzedieren die Spins nicht gleich schnell und „laufen auseinander“; man spricht auch von der Dephasierung der Spins. Dadurch ist auch die elektromagnetische Strahlung, die sie abgeben, nicht mehr phasengleich und es kommt zu destruktiver Interferenz, die gemessene Strahlung nimmt also ab. Nach einer Weile wird nun das Wechselfeld doppelt so lange wie zuvor eingeschaltet, so dass die Spins um 180° gedreht werden (180°-Puls). Dadurch „laufen“ die Spins wieder „zusammen“ (Rephasierung), so dass nach derselben Zeitspanne, die zwischen den Pulsen des Wechselfeldes liegt, die Strahlung wieder in Phase ist und ein messbares Signal erzeugt, das sogenannte Spin-Echo.

Während dieses Prozesses werden sich jedoch einige der Spins wieder nach dem statischen Magnetfeld ausrichten. Das Echo ist also schwächer als die Anfangsmagnetisierung. Die Zeitkonstante dieses Abfalls ist die transversale Relaxationszeit. Um diese Relaxationszeit möglichst genau zu messen, ist es möglich, nach dem ersten Spin-Echo in regelmäßigen Abständen weitere 180°-Pulse anzulegen, so dass sich eine Vielzahl von Spin-Echos nacheinander beobachten lässt, die von Mal zu Mal schwächer ausfallen. Aus der großen Anzahl an Maxima lässt sich nun die Relaxationszeit mit höherer Genauigkeit bestimmen.

Das Spin-Echo findet in der Magnetresonanzspektroskopie und der Magnetresonanztomographie Anwendung, da verschiedene Atomkerne, also verschiedene Isotope, und sogar Atome in verschiedenen Verbindungen unterschiedliche Relaxationszeiten haben. Dadurch lassen sich Verbindungen genau untersuchen oder in der Tomographie Gewebearten unterscheiden.

Eine sehr wichtige und weit verbreitete Anwendung des Spin-Echo-Experimentes ist die Messung von Diffusion und Fließbewegungen mittels Feldgradienten-NMR. Dabei wird die diffusive oder (bei Fluss) kohärente Bewegung von Teilchen in einem Magnetfeldgradienten über die Kernspinpräzessionsphase im Spin-Echo Experiment gemessen^[1]. Somit kann man auch physikalisch und chemisch identische Spezies, z.B. bestimmte Wassermolekülen im Wasser, unterscheiden und deren Diffusion, die in diesem Fall "Selbstdiffusion" genannt wird, studieren.

Literatur

• Haken, Wolf: Atom- und Quantenphysik., Springer-Lehrbuch, ISBN 3-540-67453-5 (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche)

Einzelnachweise

1. ↑ Paul T. Callaghan Principles of Nuclear Magnetic Resonance Microscopy. Clarendon Press, Oxford 1991, ISBN 0-19-853997-5 Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche