Electron spin resonance spectroscopy within a transmission electron microscope

Abstract

Electron spin resonance (ESR) and nuclear magnetic resonance (NMR) study the dynamics of spin samples, with a broad range of applications in biology, chemistry, materialscience, medicine, and physics. Transmission electron microscopy (TEM) enables the investigation of structures at the atomic level. To take advantage of both, we describe the integration of ESR in a TEM. We construct a custom-made miniaturized ESR setup on the tip of a TEM sample holder. The strong magnetic field of the TEM’s objective lens separates the two energy states of the spins. This in-situ ESR measurement will simplify and expedite the workflow of research using both ESR and TEM, with comparable spin sensitivities to commercial spectrometers. Our ESR-TEM sample holder may enable the investigation of spin systems, their dynamics, radicals, electrochemical reactions, and radiation damage, most of which were previously invisible in the TEM.

Die Elektronenspinresonanz (ESR) und die Kernspinresonanz (NMR) untersucht die Dynamik von Spinproben und bieten ein breites Spektrum an Anwendungen in Biologie, Chemie, Materialwissenschaft, Medizin und Physik. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ermöglicht die Untersuchung von Strukturen auf atomarer Ebene. Um beide Vorteile zu nutzen, stellen wir die Integrierung von ESR in ein TEM vor Wir konstruieren einen maßgeschneiderten miniaturisierten ESR-Aufbau an der Spitze eines TEM-Probenhalters. Das starke Magnetfeld des TEM trennt die beiden Energiezustände der Spins. Diese In-situ-ESR-Messung vereinfacht und beschleunigt die Arbeitsabläufe in der Forschung, wo sowohl ESR als auch TEM eingesetzt werden, und das bei vergleichbarer Spinempfindlichkeit wie bei kommerziellen Spektrometern. Unser ESR-TEM-Probenhalter kann die Untersuchung von Spinsystemen, ihrer Dynamik, elektrochemischen Reaktionen und Strahlungsschäden ermöglichen, von denen die meisten bisher im TEM nicht sichtbar waren.