Techniklexikon

Spin-Gitter-Relaxation

Supraleitung, Tieftemperaturphysik und -technik , longitudinale Relaxation,  Begriff aus der Spektroskopie, insbesondere in NMR und ESR. Nach Wechselwirkungen zwischen den Spins und dem Kristallgitter ändert sich die Energie des angeregten Spinsystems, indem thermische Energie an das Gitter abgegeben wird (Bloch-Gleichungen).

Bei den Methoden der magnetischen Resonanz sind die Anregungsenergien und daher die Besetzungszahlunterschiede, die in dem Experiment induziert werden, sehr klein (Maxwell-Boltzmann-Statistik). Die Relaxationsprozesse bringen das System durch strahlungslose Übergänge zurück ins thermische Gleichgewicht. Dies geschieht, indem die angeregten (»heissen«) Kernspins thermische Energie an das (»kalte«) Kristallgitter abgeben. Das Gitter kann als unendliches Reservoir angesehen werden, d.h. es findet im allgemeinen keine makroskopische Erwärmung des Systems statt (Ausnahme: ultratiefe Temperaturen).

Die Geschwindigkeit, mit der diese Prozesse stattfinden, wird durch eine charakteristische Zeit T₁, die Spin-Gitter-Relaxationszeit, gekennzeichnet. Mehrere Prozesse können zu der Spin-Gitter-Relaxation beitragen: magnetische Dipol-Dipol-Kopplung der Kernspins, lokale Magnetfelder durch Elektronenspins der Umgebung (chemische Verschiebung) und elektrische Quadrupolfelder (Kernquadrupolmoment). Indem die durch diese Wechselwirkungen erzeugten lokalen Magnetfelder durch die thermische Bewegung der Kerne (und damit der Variation ihrer Abstände) fluktuieren, kommt es zu charakteristischen Relaxationsprozessen.

Umgekehrt gibt die Analyse der Temperaturabhängigkeit der Spin-Gitter-Relaxation Aufschluss über die zugrundeliegenden physikalischen Vorgänge (z.B. Korringa-Relation für Metalle).

Darüber hinaus gibt es einen parallelen Relaxationsvorgang, die Spin-Spin-Relaxation mit der charakteristischen Zeit T₂, bei der sich die Energie des Gesamt-Spinsystems nicht ändert sondern nur umverteilt. In Flüssigkeiten findet man keinen Unterschied zwischen den beiden Relaxationsvorgängen, aber in Festkörpern ist T₁ ³ T₂ (Redfield-Theorie, motional narrowing). T₂ kann sich im Mikrosekunden-Bereich bewegen, T₁ kann leicht mehrere Sekunden lang sein, in bestimmten Fällen sogar noch viel länger.

Ein zu langes T₁ kann die Beobachtung einer NMR-Resonanzlinie ebenso unmöglich machen wie ein zu kurzes T₂ (Abklingzeit des freien Induktionszerfalls). So hat die Methode bestimmte, grob umrissene dynamische Zeitfenster; für Korrelationszeiten ausserhalb ist NMR unmöglich, so dass Signale z.B. bei Phasenübergängen, Valenzumwandlungen (Wertigkeit) und dergleichen unter Umständen nicht beobachtet werden können bzw. verlorengehen, wenn sich die Korrelationszeit entsprechend verschiebt.