Eco de giro

En resonancia magnética , un eco de espín o eco de Hahn es el reenfoque de la magnetización de espín mediante un pulso de radiación electromagnética resonante . ^{[ 1 ]} La resonancia magnética nuclear (RMN) y la resonancia magnética (RM) modernas utilizan este efecto.

La señal de RMN observada tras un pulso de excitación inicial decae con el tiempo debido tanto a la relajación de espín como a cualquier efecto inhomogéneo que provoque que los espines de la muestra precesen a diferentes velocidades. El primero de estos efectos, la relajación, conduce a una pérdida irreversible de magnetización. Sin embargo, la desfasación inhomogénea puede eliminarse aplicando un pulso de inversión de 180° que invierte los vectores de magnetización . ^{[ 2 ]} Ejemplos de efectos inhomogéneos incluyen un gradiente de campo magnético y una distribución de desplazamientos químicos . Si el pulso de inversión se aplica después de un período t de desfasación, la evolución inhomogénea se refase para formar un eco en el tiempo 2t . En casos sencillos, la intensidad del eco relativa a la señal inicial viene dada por e ^{–2t/T _2,} donde T ₂ es la constante de tiempo para la relajación espín-espín. El tiempo de eco ( TE ) es el tiempo entre el pulso de excitación y el pico de la señal. ^{[ 3 ]}

Los fenómenos de eco son características importantes de la espectroscopia coherente que se han utilizado en campos distintos de la resonancia magnética, incluyendo la espectroscopia láser ^{[ 4 ]} y la dispersión de neutrones .

Los ecos fueron detectados por primera vez en resonancia magnética nuclear por Erwin Hahn en 1950, ^{[ 5 ]} y los ecos de espín a veces se denominan ecos de Hahn . En resonancia magnética nuclear e imágenes por resonancia magnética , la radiación de radiofrecuencia es la más utilizada.

En 1972, Ferenc Mezei introdujo la dispersión de neutrones por eco de espín, una técnica que puede utilizarse para estudiar magnones y fonones en monocristales. ^{[ 6 ]} Actualmente, esta técnica se aplica en centros de investigación que utilizan espectrómetros de triple eje.

En 2020, dos equipos demostraron ^{[ 7 ] [ 8 ]} que al acoplar fuertemente un conjunto de espines a un resonador, la secuencia de pulsos de Hahn no produce un único eco, sino una serie completa de ecos periódicos. En este proceso, el primer eco de Hahn actúa sobre los espines como un pulso de reenfoque, generando ecos secundarios autoestimulados.

El efecto de eco de espín fue descubierto por Erwin Hahn cuando aplicó dos pulsos sucesivos de 90° separados por un breve período de tiempo, pero detectó una señal, el eco, cuando no se aplicó ningún pulso. Explicó el fenómeno en su artículo de 1950, ^{[ 5 ]} ; el tema fue explorado más a fondo por Hermann Carr y Edward Mills Purcell , quienes señalaron las ventajas de usar un pulso de reenfoque de 180° para el segundo pulso. ^{[ 9 ]} La secuencia de pulsos puede entenderse mejor si se divide en los siguientes pasos:

En esta secuencia se utilizan varias simplificaciones: no se incluye la decoherencia y cada espín experimenta pulsos perfectos durante los cuales el entorno no produce dispersión. Arriba se muestran seis espines, a los que no se les da la oportunidad de desfasarse significativamente. La técnica de eco de espín resulta más útil cuando los espines se han desfasado de forma más significativa, como en la animación que se muestra a continuación:

Un experimento de decaimiento de eco de Hahn puede utilizarse para medir el tiempo de relajación espín-espín , como se muestra en la animación a continuación. Se registra el tamaño del eco para diferentes espaciamientos entre los dos pulsos. Esto revela la decoherencia que no se reenfoca con el pulso π. En casos sencillos, se mide un decaimiento exponencial que se describe mediante el tiempo _{T₂ .}

El artículo de Hahn de 1950 ^{[ 5 ]} mostró que otro método para generar ecos de espín es aplicar tres pulsos sucesivos de 90°. Después del primer pulso de 90°, el vector de magnetización se extiende como se describió anteriormente, formando lo que puede pensarse como un "panqueque" en el plano xy. La extensión continúa durante un tiempo${\displaystyle \tau }$y luego se aplica un segundo pulso de 90° de manera que el "panqueque" ahora se encuentra en el plano xz. Después de un tiempo adicional${\displaystyle T}$Se aplica un tercer pulso y se observa un eco estimulado después de esperar un tiempo.${\displaystyle \tau }$después del último pulso.

También se han observado ecos de Hahn en frecuencias ópticas. ^{[ 4 ]} Para ello, se aplica luz resonante a un material con una resonancia de absorción ensanchada de forma no homogénea . En lugar de utilizar dos estados de espín en un campo magnético, los ecos de fotones utilizan dos niveles de energía presentes en el material incluso en ausencia de campo magnético.

El eco de espín rápido (RARE, FAISE o FSE ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} ), también llamado eco de espín turbo (TSE), es una secuencia de RMN que produce tiempos de exploración rápidos. En esta secuencia, se administran varios pulsos de radiofrecuencia de reenfoque de 180° durante cada intervalo de tiempo de eco (TR), y el gradiente de codificación de fase se activa brevemente entre ecos. ^{[ 13 ]} La secuencia de pulsos FSE/TSE se asemeja superficialmente a una secuencia de eco de espín convencional (CSE) en que utiliza una serie de pulsos de reenfoque de 180° después de un único pulso de 90° para generar un tren de ecos. Sin embargo, la técnica FSE/TSE cambia el gradiente de codificación de fase para cada uno de estos ecos (una secuencia multieco convencional recoge todos los ecos en un tren con la misma codificación de fase). Como resultado de cambiar el gradiente de codificación de fase entre ecos, se pueden adquirir múltiples líneas del espacio k (es decir, pasos de codificación de fase) dentro de un tiempo de repetición (TR) determinado. Dado que se adquieren múltiples líneas de codificación de fase durante cada intervalo de TR, las técnicas FSE/TSE pueden reducir significativamente el tiempo de adquisición de imágenes. ^{[ 14 ]}

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  Radiografía que muestra una presunta fractura subcapital por compresión como una línea radiodensa.
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  La tomografía computarizada muestra lo mismo, atípico para una fractura ya que la corteza es coherente.
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  La resonancia magnética con secuencia turbo spin echo ponderada en T1 confirma la fractura, ya que la médula ósea circundante presenta una señal baja debido al edema .

• Resonancia magnética nuclear
• imágenes por resonancia magnética
• eco de espín de neutrones
• Resonancia paramagnética electrónica
• Ecos de fotones en la óptica de semiconductores

• Ray Freeman (1999). Coreografía de giros: Pasos básicos en RMN de alta resolución . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850481-8.

• Malcolm H. Levitt (2001). Dinámica de espín: Fundamentos de la resonancia magnética nuclear . Wiley. ISBN 978-0-471-48922-1.

• Arthur Schweiger; Gunnar Jeschke (2001). Principios de la resonancia paramagnética electrónica pulsada . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850634-8.

Animaciones y simulaciones

• Simulación de eco de espín scratch.mit.edu