Resonansi spin elektron (ESR) adalah bentuk spektroskopi yang digunakan pada bahan paramagnetik — bahan yang menjadi magnet saat terkena medan magnet eksternal. ESR juga disebut sebagai resonansi paramagnetik elektron, atau EPR. Resonansi spin elektron memiliki berbagai aplikasi dalam kimia dan biologi, dan bahkan memiliki kegunaan di bidang-bidang seperti komputasi kuantum.
Sebuah elektron membawa muatan dan berputar. Oleh karena itu menginduksi momen magnetik. Jika ditempatkan dalam medan magnet luar, momen magnet elektron akan sejajar dengan arah medan magnet. Hal ini juga memungkinkan elektron untuk menyelaraskan dalam arah yang berlawanan dari medan magnet, tetapi ini membutuhkan lebih banyak energi dan bukan keadaan alami elektron. Ini adalah dasar ilmiah untuk resonansi spin elektron.
Dengan ESR, zat dengan molekul yang memiliki elektron ekstra, atau tidak berpasangan, ditempatkan ke dalam medan magnet dan energi, biasanya dalam bentuk gelombang mikro, diterapkan padanya. Elektron yang tidak berpasangan akan menyerap energi elektromagnetik dan pindah ke keadaan energi yang lebih tinggi dengan menyelaraskan kembali momen magnetnya agar berlawanan dengan medan magnet yang diterapkan secara eksternal. Frekuensi energi yang diserap oleh elektron menunjukkan struktur kimia molekul tempat mereka terikat. Dengan cara ini, resonansi spin elektron dapat digunakan untuk menentukan komposisi kimia bahan yang berbeda.
Sangat penting bahwa zat tersebut memiliki elektron yang tidak berpasangan. Ini karena elektron berpasangan, menurut Prinsip Pengecualian Pauli, akan berputar dalam arah yang berlawanan dan, oleh karena itu, tidak ada momen magnet bersih. Bahan-bahan ini dikenal sebagai diamagnetik dan tidak cocok untuk ESR.
Seperti teknik spektroskopi resonansi lainnya, elektron yang digunakan dalam resonansi spin elektron harus dibiarkan rileks dan kembali ke keadaan energi yang lebih rendah. Jika tidak, semua elektron akan tereksitasi dan tidak ada penyerapan lebih lanjut yang mungkin terjadi. Dalam hal ini, tidak akan ada yang diukur dan, akibatnya, tidak ada sinyal yang akan dihasilkan. Relaksasi spin-lattice, di mana elektron memberikan energi ke sekelilingnya, dan relaksasi spin-spin, di mana elektron memberikan energi ke elektron lain, adalah dua metode di mana relaksasi dapat terjadi.
ESR sangat cocok untuk mendeteksi radikal bebas, yang merupakan kumpulan molekul yang sangat reaktif dengan elektron yang tidak berpasangan. Radikal bebas diketahui menjadi penyebab beberapa penyakit, keracunan, bahkan kanker. Mereka juga menyebabkan pembusukan email gigi pada tingkat yang diketahui, yang berarti resonansi spin elektron dapat digunakan untuk menentukan tanggal gigi dan, selanjutnya, manusia. Radikal bebas yang berlebihan juga terdapat dalam bir dan anggur yang telah melewati masa simpannya.
ESR juga merupakan kandidat terdepan dalam beberapa teknologi mutakhir. Ini termasuk fotosintesis buatan dan komputasi kuantum. Dalam yang terakhir, dengan menyempurnakan ESR untuk bekerja pada satu elektron dan bukan sekelompok elektron, gerbang logika dapat dibuat yang sesuai dengan keadaan energi momen magnetik elektron.