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Resonanzen in Field-Cycling-NMR an Molekülkristallen: (reversible) Spindynamik oder (irreversible) Relaxation?

Tacke, Christian :
Resonanzen in Field-Cycling-NMR an Molekülkristallen: (reversible) Spindynamik oder (irreversible) Relaxation?
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Resonanzen in Field-Cycling-NMR an Molekülkristallen: (reversible) Spindynamik oder (irreversible) Relaxation?
Language: German
Abstract:

In Mehrspinsystemen mit Kernen vom Spin 1/2 und Kernen mit einer quadrupolaren Wechselwirkung, die über die Dipol-Dipol-Wechselwirkung gekoppelt sind, können sogenannte „Quadrupolare Dipps“ auftreten. Es gibt zwei Haupterklärungen für diesen Effekt: Polarisationstransfer und Relaxation. Die entsprechenden Messdaten ähneln sich sehr und ohne weitere Untersuchungen können diese in vielen Fällen nicht leicht unterschieden werden. Der physikalische und theoretische Hintergrund dieser beiden Phänomene unterscheidet sich sehr stark. Im Falle von keiner oder sehr langsamer Dynamik findet Polarisationstransfer statt. Dieser ist energieerhaltend im Spinsystem und kann vollständig mit Quantenmechanik auf dem Spinsystem beschrieben werden. Eine genaue Kenntnis der Kristallographie wird hierfür benötigt, da diese die relevanten Hamiltonians direkt beeinflußt. Für Systeme mit genügend schneller Dynamik tritt Relaxation auf und Energie fließt vom Spinsystem zum Gitter. Es ist also eine detailliertere theoretische Beschreibung nötig. Diese muss ein Modell der Dynamik beinhalten, meist in Form einer spektralen Dichte. Beide theoretischen Modelle sollten eine detaillierte Beschreibung des gesamten Spinsystems beinhalten. Eine Softwarebibliothek wurde entwickelt, um komplexe Spinsysteme modellieren zu können. Sie erlaubt die Simulation von Polarisationstransfer und Relaxation. Am Protonenleiter K3H(SO4)2 wurden NMR-Messungen durchgeführt. Ein Einkristall zeigt scharfe quadrupolare Dipps bei Raumtemperatur. Dynamik konnte mit Hilfe von Relaxationsmessungen und Literaturwerten ausgeschlossen werden. Eine Polarisationstransferanalyse wurde genutzt um die Effekte mit einer guten Übereinstimmung zu beschreiben. Als zweites System wurden Imidazolium-Molekülkristalle untersucht. Es wurde erwartet, daß die quadrupolaren Dipps durch Polarisationstransfer hervorgerufen wurden. Diese Annahme wurde eingehend analysiert und stellte sich als unwahr heraus. Eine Relaxationsanalyse zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten bei hohen Temperaturen. Hierbei wird eine zweistufige spektrale Dichte genutzt, was darauf hindeutet, daß es zwei getrennte dynamische Prozesse in diesem System gibt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Multi spin systems with spin 1/2 nuclei and dipolar coupled quadrupolar nuclei can show so called “quadrupolar dips”. There are two main reasons for this behavior: polarization transfer and relaxation. They look quite alike and without additional research cannot be differentiated easily in most cases. These two phenomena have quite different physical and theoretical backgrounds. For no or very slow dynamics, polarization transfer will take place, which is energy conserving inside the spin system. This effect can entirely be described using quantum mechanics on the spin system. Detailed knowledge about the crystallography is needed, because this affects the relevant hamiltonians directly. For systems with fast enough dynamics, relaxation takes over, and the energy flows from the spin system to the lattice; thus a more complex theoretical description is needed. This description has to include a dynamic model, usually in the form of a spectral density function. Both models should include detailed modelling of the complete spin system. A software library was developed to be able to model complex spin systems. It allows to simulate polarization transfer or relaxation effects. NMR measurements were performed on the protonic conductor K3H(SO4)2. A single crystal shows sharp quadrupolar dips at room temperature. Dynamics could be excluded using relaxation measurements and literature values. Thus, a polarization transfer analysis was used to describe those dips with good agreement. As a second system, imidazolium based molecular crystals were analyzed. The quadrupolar dips were expected to be caused by polarization transfer; this was carefully analyzed and found not to be true. A relaxation based analysis shows good agreement with the measured data in the high temperature area. It leverages a two step spectral density function, which indicates two distinct dynamic processes happening in this system.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Magnetische Kernresonanz
Date Deposited: 30 Jan 2015 08:51
Last Modified: 12 Feb 2015 13:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43797
Referees: Fujara, Prof. Dr. Franz and Kruk, Prof. Dr. Danuta
Refereed: 10 February 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4379
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