[論文レビュー] High-Resolution Electron Paramagnetic Resonance

Colin J. Stephen, Anton Tcholakov+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2026

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ひとこと要約

論文は396 GHz励起を用いた14 TのEPR分光計を実現し、超狭いEPR線幅（210 ppb FWHM）と極めて正確なg因子測定（±16 ppb）を達成、正確な較正のための3Heを用いたin-situ NMR参照を実装。N@C60 in deuterated tolueneについてg = 2.00209909(3)を報告。

ABSTRACT

Electron paramagnetic resonance (EPR) is a valuable tool for physics, chemistry, biology and medicine, providing complementary spectroscopic information to NMR. It has long been known that EPR at high magnetic fields offers greater spectral resolution, but limitations in the THz instrumentation have prevented the full realization of these opportunities. Here we describe an EPR spectrometer at the high magnetic field of 14 T using 396 GHz excitation, which adapts techniques from liquid-state NMR to obtain sharp EPR resonances with a width of 210 ppb (full-width half-maximum). We use this to measure resonance positions, and hence g-factors, with a precision that reaches $\pm$16 ppb. Our use of in-situ liquid-state NMR of our solvent within the same sample improves the accuracy of these measurements: it allows us to reference our EPR measurement back to dilute gas 3He NMR for which quantum calculations are accurate. We measure the g-factor of N@C60 in deuterated toluene as g = 2.002 099 09 (3), where the 3 in brackets means that the uncertainty on the last digit is $\pm$3.

研究の動機と目的

• 高分解能EPRを高磁場で動機づけ、分光幅の限界を克服する。
• 液体状態NMR技法をEPRへ適用し、シャープな共鳴と正確なg因子測定を達成する。
• 良く較正されたNMR標準（希薄ガス3He）を参照としてEPRデータを正確に測定する。

提案手法

• 14 Tで396 GHz励起でEPRを動作させる。
• 試料内に液体状態NMR技法を採用して共鳴を鋭くする。
• 溶媒と3He NMRのin-situ NMRで参照を行い較正を行う。
• 共鳴位置を測定してg因子をサブppb精度で抽出する。
• ジデュール化トルエン中のN@C60のg因子を g = 2.00209909(3)として報告する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 396 GHz励起を伴う14 Tの高磁場EPRは従来のEPRより著しく狭い線幅を得られるか。
• RQ2 in-situ NMR参照を用いたg因子決定の精度はどの程度 achievableか。
• RQ3 1つのサンプル内で溶媒NMR参照を用いてEPR測定の精度をどこまで改善できるか。
• RQ4 described条件下でのN@C60の測定g因子はいくつか。

主な発見

• 14 Tかつ396 GHz励起でのEPR共鳴の線幅が210 ppb（FWHM）となる。
• g因子の精度は±16 ppbに達する。
• ジデュール化トルエン中のN@C60のg因子は2.00209909(3)として決定。
• 溶媒のin-situ液体NMRにより3He NMRへ参照を戻し、正確な量子計算に裏打ちされた較正が可能。
• このアプローチは高磁場EPRとNMR参照を組み合わせ、測定精度を向上させる。