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Résonance magnétique nucléaire

Un grand nombre de mesures magnétiques (principalement nucléaire, sur l’3He) sont réalisées dans notre groupe. Pour mesurer la susceptibilité magnétique ou l’aimantation (nucléaire), on utilise la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) [3]. Nous l’utilisons au laboratoire pour étudier l’3He solide, l’3He superfluide et l’3He 2D. Cette technique est également employée, dans d’autres recherches, sur des échantillons de matière plus "conventionnels" que l’3He, ainsi que dans l’imagerie médicale.

RMN

Le magnéton de Bohr µB, échelle des moments magnétiques nucléaires, est environ 1800 fois plus faible que son homologue électronique ; c’est ce qui fait toute la difficulté de la mesure de la susceptibilité magnétique nucléaire d’un échantillon. Pour y arriver, il faut une méthode extrêmement sensible, c’est pourquoi une méthode résonante est à privilégier.
Les états du spin nucléaire (à l’origine du moment magnétique nucléaire µ) sont quantifiés (pour I=1/2, deux états sont possibles Iz=+1/2 ou -1/2). Dans un champ magnétique imposé B, ces deux états donnent lieu à deux niveaux d’énergie Zeemann +/- µ B (voir figure ci-dessus). En RMN, on excite ces niveaux Zeemann des spins nucléaires, en irradiant l’échantillon de matière avec une onde électromagnétique (dans la gamme des radiofréquences). Lorsque la fréquence n =n0 de l’onde correspond à l’écart Zeemann entre les deux niveaux ( h n0 = 2 µ B), des transitions entre les niveaux ont lieu (absorption résonante de radiofréquence). La difficulté est alors plus de détecter ces transitions (changement de populations entre les deux niveaux d’énergie quantique) que de les exciter. Pour l’excitation, on utilise une petite bobine de fil enroulée autour de l’échantillon, placée dans un circuit électrique RLC (résonant, précisément à une fréquence proche de n0). Les changements de population pèsent alors sur la dissipation dans le circuit électrique RLC contenant cette bobine, et en RMN on détecte cet effet par un changement du facteur de qualité Q du circuit.
En pratique, la fréquence n est balayée autour de n0, et on mesure l’impédence du circuit RLC. A la résonance des spins, cette impédence chutte proportionellement à Q. Le signal obtenu est une raie de résonance, dont l’aire est proportionnelle à l’aimantation. Dans son régime linéaire (faible champ B et faible excitation), l’aimantaion du système magnétique est proportionelle à la sucseptibilité. Si on décrit le phénomène dans un langage vectoriel, on obtient que le moment magnétique total (le spin total) précesse autour du champ magnétique (à la fréquence n0), en formant un petit angle a fonction de la puissance radiofréquence injectée. C’est la mesure par RMN continue. Pour de fortes injections, on peut amener l’aimantation dans le plan orthogonal au champ (a=p/2), ou même on peut la renverser (a=p). Il est ainsi possible, à l’aide d’une impulsion radiofréquence de dévier le spin total d’un angle (contrôlé) a, et de mesurer la dynamique de sa relaxation : c’est la RMN pulsée, dont on peut tirer les temps de relaxation des spins nucléaires, et leur diffusion.

Des mesures de susceptibilité, on tire l’interaction d’origine magnétique entre spins nucléaires. Ces résutats sont une caractéristique fondamentale de la matière, que l’on étudie en soi au laboratoire.

Pour en savoir plus :

[1] F. Pobell, Matter and methods at low temperatures, Springer (1996)
[2] O.V. Lounasmaa, Experimental principles and methods below 1 K, Academic Press (1974)
[3] A. Abragam, Les principes du magnétisme nucléaire, Presses universitaire de France (1961) , C.P. Slichter, Principles of magnetic resonance, third and updated edition, Springer-Verlag (1992)

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