Magnetisaation dynamiikkaa paramagneettisissa systeemeissä

Ydinmagneettinen resonanssi (nuclear magnetic resonance, NMR) on merkittävä spektroskooppinen menetelmä materiaalien rakenteen ja dynamiikan tutkimuksessa. Magneettikuvaus (magnetic resonance imaging, MRI) on NMR:n rakenteellisen kuvantamisen sovellus, jolla on myös merkittävä rooli lääketieteellisenä menetelmänä. Paramagneettisilla systeemeillä on merkittäviä sovelluskohteita materiaalien NMR-herkkyyden kasvattamisessa ja magneettikuvauksessa käytettävien kontrastiaineiden kehityksessä.

Tällä hetkellä käytettävissä olevat laskennalliset resurssit ja teorian taso mahdollistavat paramagneettisten systeemien magnetisaation käyttäytymisen yksityiskohtaisen simuloimisen. Kuitenkin yleisesti käytetyt menetelmät ovat karkeita ja kokeellisiin tuloksiin sovitettuihin parametreihin perustuvia. Tässä väitöskirjassa on kehitetty menetelmä paramagneettisten systeemien dynamiikan yksityiskohtaiseen simuloimiseen.

Väitöskirjassa keskityttiin kahteen esimerkkisysteemiin; nikkeli-ioni vesiliuoksessa ja rubidium-atomi ksenon-jalokaasussa. Ensimmäinen systeemi on merkityksellinen MRI-kontrastiaineiden kehityksessä ja tuloksena saadut dynaamiset aikavakiot ovat hyvässä kvalitatiivisessa sopusoinnussa kirjallisuudessa raportoitujen koetulosten kanssa. Jälkimmäinen systeemi on tärkeä NMR:n herkkyyden kasvattamiseen käytetyissä, spinien vaihtoon perustuvissa optisen pumppauksen (SEOP) kokeissa. Simulaatiot vahvistavat kaasuseoksessa esiintyvien erilaisten mikroskooppisten prosessien roolin näissä kokeissa.

Nämä simulaatiot ovat ensimmäisten raportoitujen joukossa estimoimassa dynaamisia NMR-havaintosuureita kokonaan ilman kokeellisia parametreja. SEOP-kokeisiin liittyvän teorian kehitys perustuu valtaosin analyyttiseen työhön, ja tässä väitöskirjassa esitetty simulaatio on uraauurtava ilmiön laskennallisen tutkimuksen kannalta.