전자 스핀 공명 (Electron Spin Resonance: ESR)

전자가 스핀 공명이란 DC 전원공급 장치에 의해 생성된 외부 자기장 내부에 있는 홀전자를 가진 물질에 의한 에너지 흡수를 기본 원리로 한다. 이때 흡수되는 에너지는 DC전원으로부터 생성된 자기장에 수직으로 공급되는 AC 고주파에서 흡수한다.

고주파의 주파수가 실험에 사용되는 시료의 공진주파수(공명주파수)와 같은 경우 오실로스코프를 통해 코일의 임피던스의 공진 곡선과 피크를 확인할 수 있다. 공명 흡수 원인은 자유 전자의 스핀 상태 사이의 자기 모멘트 기울기 때문입니다.

공진주파수는 DC전원이 생성한 자기장의 강도에 따라 달라지며 공진 신호의 폭은 자기장의 균일성과 관련이 있다. 전자의 스핀에 따른 자성인 전자의 자기 모멘트는 자기장 B에서 이산 값을 가정한다.

보어 마그네톤(Bohr magneton)은 원자나 전자의 자기 모멘트의 크기를 나타내는 단위이며 랑데 지 인자(Landé g-factor)는 궤도 각운동량과 스핀을 가진 전자에 대한 지 인자이다. 일반적으로 원자의 궤도에 존재하면서 같은 각운동량을 가지는 전자는 서로 같은 에너지를 가지는데 원자 외부에 자기장을 걸어줄 경우 랑데 지 인자의 배수만큼 에너지가 변화하게 된다. 이때 두 에너지 준위 사이의 간격은 다음과 같다. 

또한 전자의 스핀 공명은 다음과 같은 조건을 만족할 경우 발생한다. 

TIP. 공명주파수와 자기장 사이의 관계는 (2), (3) 식을 통해 알 수 있다. 측정값은 원점을 통하는 직선을 따라 측정 공차 내에 위치한다. 랑데 지 인자는 그래프의 기울기를 통해 확인할 수 있다.