Onderzoekers van de faculteit Bètawetenschappen van de Universiteit van Oulu hebben de gevoeligheid van een opkomende spectroscopische methode verhoogd met veelbelovende toepassingen voor materiaalstudies.

Alle atomen waaruit de gewone materie in het heelal bestaat, hebben kernen, waarvan de meeste zich gedragen als microscopisch kleine staafmagneten. Indien goed georiënteerd in de ruimte, deze magnetische momenten kunnen kleine veranderingen veroorzaken in de eigenschappen van licht als het door het materiaal gaat, in zogenaamde nucleaire magneto-optische (NMO) verschijnselen. De NMO-effecten, waarvan de eerste is waargenomen in 2006, opkomende methoden voor het bestuderen van materialen en moleculen mogelijk maken. Met het vermogen om de materie te onderzoeken bij de resolutie van individuele atomen, zonder de monstereigenschappen permanent te veranderen, NMO-benaderingen bieden een waardevol inzicht in de eigenschappen van materie dat slechts enkele methoden kunnen geven. In dit opzicht, de NMO-methoden zijn vergelijkbaar met nucleaire magnetische resonantie, die veel wordt gebruikt in de chemie, evenals magnetische resonantie beeldvorming, een uiterst krachtig medisch diagnostisch hulpmiddel.

De Onderzoekseenheid NMR van de Faculteit Bètawetenschappen is sinds 2008 actief op het gebied van NMO en heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan de theorievorming. De laatste tijd, de groep is ook betrokken geweest bij de ontwikkeling van experimentele NMO-technieken.

Het uiteindelijke doel van het NMO-onderzoek is om hooggevoelige optische gegevens met atomaire resolutie over het bestudeerde materiaal te leveren. Het is cruciaal om de spectroscopische gevoeligheid te verbeteren, zodat kleinere steekproeven kunnen worden gemeten en informatie van hogere kwaliteit kan worden verkregen.

De gevoeligheidsverbetering kan worden verkregen door speciale technieken genaamd hyperpolarisatie, wanneer de microscopisch kleine magneten van de atoomkernen in veel grotere mate in de gewenste richting zijn georiënteerd dan onder omgevingsomstandigheden mogelijk is. In de nieuwste krant gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters , de onderzoekers Petr Štěpánek en Anu Kantola van de NMR Research Unit hebben laten zien hoe dit kan door gebruik te maken van speciaal bereid waterstofgas.

Waterstofgasmoleculen kunnen in twee vormen voorkomen, de zogenaamde ortho- en para-waterstof, die verschillen door de onderlinge oriëntatie van hun eigen twee kernmagnetische momenten. De hoge mate van oriënterende orde in het gas dat een overmaat aan para-waterstof bevat, kan via een katalytische reactie worden overgebracht naar het bestudeerde molecuul, wat leidt tot een toename van het waargenomen signaal.

De onderzoekers hebben deze methode in een nieuwe gecombineerde aanpak toegepast en de gevoeligheid van NMO-metingen met een factor meer dan honderd verbeterd. Dit maakt metingen mogelijk van stoffen die anders niet levensvatbaar zouden zijn en opent nieuwe mogelijkheden voor verdere ontwikkeling van dit nieuwe en opwindende veld.