En resonancia magnética , un eco de espín es el reenfoque de la magnetización de espín mediante un pulso de radiación electromagnética resonante . [1] La resonancia magnética nuclear (RMN) y la resonancia magnética (RMN) modernas hacen uso de este efecto.
La señal de RMN observada después de un pulso de excitación inicial decae con el tiempo debido tanto a la relajación de espín como a cualquier efecto no homogéneo que provoque que diferentes espines en la muestra precesen a diferentes velocidades. El primero de ellos, la relajación, conduce a una pérdida irreversible de magnetización. Sin embargo, el desfase no homogéneo se puede eliminar aplicando un pulso de inversión de 180 ° que invierte los vectores de magnetización. [2] Ejemplos de efectos no homogéneos incluyen un gradiente de campo magnético y una distribución de cambios químicos . Si el pulso de inversión se aplica después de un período tde desfase, la evolución no homogénea volverá a fase para formar un eco en el tiempo 2 t . En casos simples, la intensidad del eco relativa a la señal inicial viene dada por e –2t / T 2 donde T 2 es la constante de tiempo para la relajación espín-espín. El tiempo de eco ( TE ) es el tiempo entre el pulso de excitación y el pico de la señal. [3]
Los fenómenos de eco son características importantes de la espectroscopia coherente que se han utilizado en campos distintos de la resonancia magnética, incluida la espectroscopia láser [4] y la dispersión de neutrones . Los ecos fueron detectados por primera vez en resonancia magnética nuclear por Erwin Hahn en 1950, [5] y los ecos de espín a veces se denominan ecos de Hahn . En la resonancia magnética nuclear y la resonancia magnética , la radiación de radiofrecuencia se utiliza con mayor frecuencia.
En 1972 F. Mezei introdujo la dispersión de neutrones por eco de espín, una técnica que se puede utilizar para estudiar magnones y fonones en monocristales. [6] La técnica se aplica ahora en instalaciones de investigación utilizando espectrómetros de triple eje.
En 2020, dos equipos demostraron [7] [8] que cuando se acopla fuertemente un conjunto de espines a un resonador, la secuencia de pulsos de Hahn no solo conduce a un solo eco, sino a todo un tren de ecos periódicos. En este proceso, el primer eco de Hahn actúa sobre los espines como un pulso de reenfoque, lo que lleva a ecos secundarios autoestimulados.
Principio
El efecto de eco de espín fue descubierto por Erwin Hahn cuando aplicó dos pulsos sucesivos de 90 ° separados por un período de tiempo corto, pero detectó una señal, el eco, cuando no se aplicó ningún pulso. Este fenómeno de eco de espín fue explicado por Erwin Hahn en su artículo de 1950, [5] y desarrollado por Carr y Purcell, quienes señalaron las ventajas de usar un pulso de reenfoque de 180 ° para el segundo pulso. [9] La secuencia de pulsos puede entenderse mejor dividiéndola en los siguientes pasos:
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Se utilizan varias simplificaciones en esta secuencia: no se incluye decoherencia y cada espín experimenta pulsos perfectos durante los cuales el entorno no proporciona propagación. Se muestran seis giros arriba y estos no tienen la oportunidad de desfasarse significativamente. La técnica de eco de espín es más útil cuando los espines se han desfasado de manera más significativa, como en la siguiente animación:
Decaimiento del eco de giro
Se puede utilizar un experimento de decaimiento del eco de Hahn para medir el tiempo de relajación de espín-espín , como se muestra en la siguiente animación. El tamaño del eco se registra para diferentes espaciamientos de los dos pulsos. Esto revela la decoherencia que no es reenfocada por el pulso π. En casos simples, se mide una caída exponencial que se describe por el tiempo T 2 .
Eco estimulado
El artículo de Hahn de 1950 [5] mostró que otro método para generar ecos de espín es aplicar tres pulsos sucesivos de 90 °. Después del primer pulso de 90 °, el vector de magnetización se extiende como se describió anteriormente, formando lo que se puede considerar como un "panqueque" en el plano xy. La propagación continúa por un tiempo., y luego se aplica un segundo pulso de 90 ° de manera que el “panqueque” esté ahora en el plano xz. Despues de un tiempo mas se aplica un tercer pulso y se observa un eco estimulado después de esperar un tiempo después del último pulso.
Eco de fotones
También se han observado ecos de Hahn en frecuencias ópticas. [4] Para ello, se aplica luz resonante a un material con una resonancia de absorción ensanchada de forma no homogénea . En lugar de usar dos estados de espín en un campo magnético, los ecos de fotones usan dos niveles de energía que están presentes en el material incluso en un campo magnético cero.
Ver también
Referencias
- ^ JE Tanner y EO Stejskal (2003). "Autodifusión restringida de protones en sistemas coloidales por el método de eco de espín, gradiente pulsado". La Revista de Física Química . 49 (4): 1768. Código bibliográfico : 1968JChPh..49.1768T . doi : 10.1063 / 1.1670306 .
- ^ Malcolm H. Levitt ; Ray Freeman (1979). "Inversión de la población de RMN utilizando un pulso compuesto". Revista de resonancia magnética . 33 (2): 473–476. Código bibliográfico : 1979JMagR..33..473L . doi : 10.1016 / 0022-2364 (79) 90265-8 .
- ^ Dan J Bell y J Yeung. "Tiempo de eco" . Radiopedia . Consultado el 24 de septiembre de 2017 .
- ^ a b Kurnit, NA; Abella, ID; Hartmann, SR (1964). "Observación de un eco de fotones". Cartas de revisión física . 13 (19): 567–568. Código bibliográfico : 1964PhRvL..13..567K . doi : 10.1103 / PhysRevLett.13.567 .
- ^ a b c Hahn, EL (1950). "Spin echoes". Revisión física . 80 (4): 580–594. Código bibliográfico : 1950PhRv ... 80..580H . doi : 10.1103 / PhysRev.80.580 .
- ^ Mezei, F. (1972), "Eco de espín de neutrones: un nuevo concepto en técnicas de neutrones térmicos polarizados", Zeitschrift für Physik , 255 (2), págs. 146-160.
- ^ Weichselbaumer, Stefan; Zens, Matthias; Zollitsch, Christoph W .; Brandt, Martin S .; Rotter, Stefan; Gross, Rudolf; Huebl, Hans (2020). "Trenes de eco en resonancia de espín de electrones pulsados de un conjunto de espín fuertemente acoplado". Cartas de revisión física . 125 : 137701. doi : 10.1103 / PhysRevLett.125.137701 .
- ^ Debnath, Kamanasish; Dold, David; Morton, John JL; Mølmer, Klaus (2020). "Trenes de eco de pulso autoestimulados de conjuntos de espín ensanchados de forma no homogénea". Cartas de revisión física . 125 : 137702. doi : 10.1103 / PhysRevLett.125.137702 .
- ^ Carr, HY; Purcell, EM (1954). "Efectos de la difusión sobre la precesión libre en experimentos de resonancia magnética nuclear". Revisión física . 94 (3): 630–638. Código Bibliográfico : 1954PhRv ... 94..630C . doi : 10.1103 / PhysRev.94.630 .
Otras lecturas
- Ray Freeman (1999). Spin Coreografía: Pasos básicos en RMN de alta resolución . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-850481-8.
- Malcolm H. Levitt (2001). Spin Dynamics: Conceptos básicos de la resonancia magnética nuclear . Wiley. ISBN 978-0-471-48922-1.
- Arthur Schweiger; Gunnar Jeschke (2001). Principios de la resonancia paramagnética de pulsos de electrones . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 978-0-19-850634-8.
enlaces externos
- Animaciones y simulaciones
- Spin Echo Simulation scratch.mit.edu
- La animación muestra secuencias de pulsos como secuencia de eco de espín.