Elektronspinresonans (ESR) är en form av spektroskopi som används på paramagnetiska material – material som blir magnetiska när de utsätts för ett externt magnetfält. ESR kallas också elektronparamagnetisk resonans, eller EPR. Elektronspinresonans har en mängd olika tillämpningar inom kemi och biologi, och har till och med användningsområden inom områden som kvantberäkning.
En elektron bär en laddning och snurrar. Det inducerar därför ett magnetiskt moment. Om den placeras i ett externt magnetfält kommer elektronens magnetiska moment att passa in i riktningen för magnetfältet. Det är också möjligt för elektronen att rikta in sig i motsatt riktning av magnetfältet, men detta kräver mer energi och är inte elektronens naturliga tillstånd. Detta är den vetenskapliga grunden för elektronspinresonans.
Med ESR, ett ämne med molekyler som har extra, eller oparade, elektroner placeras i ett magnetfält och energi, vanligtvis i form av mikrovågor, appliceras på det. De oparade elektronerna kommer att absorbera den elektromagnetiska energin och flytta till ett högre energitillstånd genom att justera sina magnetiska moment så att de är motsatta det externt applicerade magnetfältet. Frekvensen av energi som absorberas av elektronerna indikerar den kemiska strukturen hos molekylen som de är fästa vid. På så sätt kan elektronspinresonans användas för att bestämma den kemiska sammansättningen av olika material.
Det är viktigt att ämnet har oparade elektroner. Detta beror på att parade elektroner, enligt Pauli Exclusion Principle, kommer att ha snurr i motsatta riktningar och därför inget magnetiskt nettomoment. Dessa material är kända som diamagnetiska och är inte lämpliga för ESR.
Som med andra resonansspektroskopitekniker måste elektronerna som används i elektronspinresonans tillåtas slappna av och återgå till sina lägre energitillstånd. Om inte, kommer alla elektroner att exciteras och ingen ytterligare absorption kommer att vara möjlig. I detta fall kommer det inte att finnas något att mäta och följaktligen kommer ingen signal att produceras. Spin-gitter-relaxation, där en elektron ger energi till sin omgivning, och spin-spin-relaxation, där en elektron ger energi till en annan elektron, är de två metoderna för avslappning.
ESR är särskilt väl lämpad för detektion av fria radikaler, som är en uppsättning mycket reaktiva molekyler med oparade elektroner. Fria radikaler är kända för att vara orsaken till flera sjukdomar, förgiftningar och till och med cancer. De orsakar också sönderfall av tandemaljen med en känd hastighet, vilket innebär att elektronspinresonans kan användas för att datera tänder och, i förlängningen, människor. Överskott av fria radikaler finns också i öl och vin som har passerat sin hållbarhetstid.
ESR är också en ledande kandidat inom flera spjutspetsteknologier. Dessa inkluderar artificiell fotosyntes och kvantberäkning. I det senare, genom att finjustera ESR för att arbeta på en enstaka elektron istället för en grupp av elektroner, kan en logisk grind skapas som motsvarar energitillstånden för elektronens magnetiska moment.