Écho de rotation - Spin echo

Animation d'écho de spin montrant la réponse des spins (flèches rouges) dans la sphère de Bloch bleue à la séquence d'impulsions vertes

En résonance magnétique , un écho de spin est le recentrage de l' aimantation du spin par une impulsion de rayonnement électromagnétique résonant . La résonance magnétique nucléaire (RMN) et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) modernes utilisent cet effet.

Le signal RMN observé à la suite d'une impulsion d'excitation initiale décroît avec le temps en raison à la fois de la relaxation du spin et de tout effet inhomogène qui provoque la précession des spins dans l'échantillon à des vitesses différentes. Le premier d'entre eux, la relaxation, conduit à une perte irréversible de l'aimantation. Cependant, le déphasage inhomogène peut être supprimé en appliquant une impulsion d' inversion de 180° qui inverse les vecteurs d' aimantation . Des exemples d'effets non homogènes comprennent un gradient de champ magnétique et une distribution de déplacements chimiques . Si l'impulsion d'inversion est appliquée après une période t de déphasage, l'évolution inhomogène se rephase pour former un écho à l'instant 2 t . Dans des cas simples, l'intensité de l'écho par rapport au signal initial est donnée par e ^{–2t/T ₂} où T ₂ est la constante de temps de relaxation spin-spin. Le temps d'écho ( TE ) est le temps entre l'impulsion d'excitation et le pic du signal.

Les phénomènes d'écho sont des caractéristiques importantes de la spectroscopie cohérente qui ont été utilisées dans des domaines autres que la résonance magnétique, y compris la spectroscopie laser et la diffusion de neutrons . Les échos ont été détectés pour la première fois en résonance magnétique nucléaire par Erwin Hahn en 1950, et les échos de spin sont parfois appelés échos de Hahn . En résonance magnétique nucléaire et en imagerie par résonance magnétique , le rayonnement radiofréquence est le plus couramment utilisé.

En 1972, F. Mezei a introduit la diffusion de neutrons par écho de spin, une technique qui peut être utilisée pour étudier les magnons et les phonons dans des monocristaux. La technique est maintenant appliquée dans des installations de recherche utilisant des spectromètres à trois axes.

En 2020, deux équipes ont démontré qu'en couplant fortement un ensemble de spins à un résonateur, la séquence d'impulsions de Hahn ne conduit pas seulement à un seul écho, mais plutôt à tout un train d'échos périodiques. Dans ce processus, le premier écho de Hahn agit en retour sur les spins comme une impulsion de recentrage, conduisant à des échos secondaires auto-stimulés.

Principe

L'effet d'écho de spin a été découvert par Erwin Hahn lorsqu'il a appliqué deux impulsions successives de 90° séparées par une courte période de temps, mais a détecté un signal, l'écho, lorsqu'aucune impulsion n'a été appliquée. Ce phénomène d'écho de spin a été expliqué par Erwin Hahn dans son article de 1950, et développé plus avant par Carr et Purcell qui ont souligné les avantages d'utiliser une impulsion de recentrage à 180° pour la deuxième impulsion. La séquence d'impulsions peut être mieux comprise en la décomposant en les étapes suivantes :

La flèche rouge verticale est le moment magnétique moyen d'un groupe de spins, comme les protons. Tous sont verticaux dans le champ magnétique vertical et tournent sur leur grand axe, mais cette illustration est dans un référentiel tournant où les spins sont stationnaires en moyenne.
Une impulsion de 90 degrés a été appliquée qui fait basculer la flèche dans le plan horizontal (xy).
En raison des inhomogénéités du champ magnétique local (variations du champ magnétique dans différentes parties de l'échantillon qui sont constantes dans le temps), à mesure que le moment net précesse, certains spins ralentissent en raison d'une intensité de champ local plus faible (et commencent ainsi à prendre progressivement du retard) tandis que certains accélèrent en raison d'une intensité de champ plus élevée et commencent à devancer les autres. Cela rend le signal décroissant.

Une impulsion de 180 degrés est maintenant appliquée de sorte que les rotations les plus lentes précèdent le moment principal et les plus rapides suivent.
Progressivement, les moments rapides rattrapent le moment principal et les moments lents remontent vers le moment principal. A un moment entre E et F l'échantillonnage de l'écho commence.
Une refocalisation complète s'est produite et à ce moment, un écho T ₂ précis peut être mesuré avec tous les effets T ₂^* supprimés. Tout à fait séparément, le retour de la flèche rouge vers la verticale (non représenté) reflète le T ₁ détente. 180 degrés correspond à π radians, donc les impulsions à 180° sont souvent appelées impulsions.

Plusieurs simplifications sont utilisées dans cette séquence : aucune décohérence n'est incluse et chaque spin connaît des impulsions parfaites pendant lesquelles l'environnement n'assure aucun étalement. Six spins sont indiqués ci-dessus et ceux-ci n'ont pas la possibilité de se déphaser de manière significative. La technique d'écho de spin est plus utile lorsque les spins se sont déphasés de manière plus importante comme dans l'animation ci-dessous :

Animation d'écho de rotation avec plus de rotations et plus de déphasage

Décroissance de l'écho de spin

Une expérience de désintégration d'écho de Hahn peut être utilisée pour mesurer le temps de relaxation spin-spin , comme le montre l'animation ci-dessous. La taille de l'écho est enregistrée pour différents espacements des deux impulsions. Ceci révèle la décohérence qui n'est pas refocalisée par l'impulsion . Dans les cas simples, une décroissance exponentielle est mesurée qui est décrit par le T ₂ temps.

Écho stimulé

L'article de Hahn de 1950 montrait qu'une autre méthode pour générer des échos de spin consiste à appliquer trois impulsions successives à 90°. Après la première impulsion de 90°, le vecteur d'aimantation s'étale comme décrit ci-dessus, formant ce que l'on peut considérer comme une « galette » dans le plan xy. L'étalement se poursuit pendant un certain temps , puis une seconde impulsion à 90° est appliquée de telle sorte que la « galette » se trouve maintenant dans le plan xz. Après un temps supplémentaire, une troisième impulsion est appliquée et un écho stimulé est observé après avoir attendu un certain temps après la dernière impulsion. ${\style d'affichage \tau }$ ${\style d'affichage T}$ ${\style d'affichage \tau }$

Écho de photons

Des échos de Hahn ont également été observés aux fréquences optiques. Pour cela, la lumière résonante est appliquée à un matériau avec une résonance d'absorption élargie de manière non homogène . Au lieu d'utiliser deux états de spin dans un champ magnétique, les échos de photons utilisent deux niveaux d'énergie qui sont présents dans le matériau même dans un champ magnétique nul.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Ray Freeman (1999). Spin Choreography: Basic Steps in High Resolution RMN . Presses de l'Université d'Oxford. ISBN 978-0-19-850481-8.

Malcolm H. Levitt (2001). Spin Dynamics: Notions de base de la résonance magnétique nucléaire . Wiley. ISBN 978-0-471-48922-1.

Arthur Schweiger ; Gunnar Jeschke (2001). Principes de la résonance paramagnétique électronique à impulsions . Presses de l'Université d'Oxford. ISBN 978-0-19-850634-8.

Liens externes

Animations et simulations

Languages

In other projects