Materialuntersuchungen: Neue Form der Kernspinresonanz-Spektroskopie entdeckt

Erstmals Kernspinresonanz außerhalb der klassischen Resonanzfrequenzen beobachtet – Neue Anwendungen in Materialforschung und Bildgebung erwartet
Pooja Singh und Michael Jurkutat am NMR-Spektrometer Kajum Safiullin, KIT
Pooja Singh und Michael Jurkutat, Mitautoren des wissenschaftlichen Papers, beim Installieren eines NMR-Probenkopfs im für die Messungen verwendeten Magneten.

Auf Kernspinresonanz basieren sowohl die Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie), mit der beispielsweise Festkörper oder organische Moleküle in Flüssigkeiten untersucht werden, als auch die Kernspinresonanztomographie für die medizinische bildgebende Diagnostik. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Leipzig konnten nun erstmals experimentell zeigen, dass erweiterte Messverfahren möglich sind.

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 zeigen, dass es weitere Resonanzen gibt, die weit entfernt von der Larmorfrequenz sind. Diese waren zwar theoretisch vorhergesagt, blieben wegen der geringen Effekte aber bisher unbeobachtet. „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 und Leiter einer Helmholtz-Nachwuchsgruppe. „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.

jho, 25.08.2025