Quantum mechanical theory of dynamic nuclear polarization in solid dielectrics

Journal of Chemical Physics

Volumn 134, Issue 12, 2011, Pages

  Hu, Kan Nian ^a,b   Debelouchina, Galia T ^a   Smith, Albert A ^a   Griffin, Robert G ^a  

^a MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (United States)

^b NATIONAL INSTITUTE OF DIABETES AND DIGESTIVE AND KIDNEY DISEASES   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

DENSITY OPERATORS; DYNAMIC NUCLEAR POLARIZATION; ELECTRON PARAMAGNETIC RESONANCE; ELECTRON SPINS; ELECTRON-NUCLEAR INTERACTION; ELECTRON-ZEEMAN; EPR SPECTRA; EXTERNAL MAGNETIC FIELD; LARMOR FREQUENCIES; MATCHING CONDITION; MICROWAVE-DRIVEN; NMR SIGNALS; NUCLEAR SPINS; POLARIZATION TRANSFER; QUANTUM-MECHANICAL THEORY; SINGLE ELECTRON; SOLID DIELECTRIC; SPIN INTERACTION; THERMAL MIXING; THERMODYNAMIC PARAMETER; TWO-ELECTRON PROCESS;

DYNAMICS; ELECTRONS; IRRADIATION; MAGNETIC FIELDS; MICROWAVE IRRADIATION; NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE; PARAMAGNETIC RESONANCE; PARAMAGNETISM; QUANTUM THEORY; RESONANCE; SPIN DYNAMICS; SPIN POLARIZATION;

ELECTRON SPIN RESONANCE SPECTROSCOPY;

ARTICLE; ELECTRIC CONDUCTIVITY; ELECTRON; ELECTRON SPIN RESONANCE; METHODOLOGY; MICROWAVE RADIATION; NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY; QUANTUM THEORY;

ELECTRIC CONDUCTIVITY; ELECTRON SPIN RESONANCE SPECTROSCOPY; ELECTRONS; MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY; MICROWAVES; QUANTUM THEORY;

EID: 79953293753     PISSN: 00219606     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1063/1.3564920     Document Type: Article

References (60)

1. L. R. Becerra, G. J. Gerfen, R. J. Temkin, D. J. Singel, and R. G. Griffin, Phys. Rev. Lett. 71, 3561 (1993). 10.1103/PhysRevLett.71.3561
2. G. J. Gerfen, L. R. Becerra, D. A. Hall, R. G. Griffin, R. J. Temkin, and D. J. Singel, J. Chem. Phys. 102, 9494 (1995). 10.1063/1.468818
3. D. A. Hall, D. C. Maus, G. J. Gerfen, S. J. Inati, L. R. Becerra, F. W. Dahlquist, and R. G. Griffin, Science 276, 930 (1997). 10.1126/science.276.5314. 930 (Pubitemid 27209086)
4. N. M. Loening, M. Rosay, V. Weis, and R. G. Griffin, J. Am. Chem. Soc. 124, 8808 (2002). 10.1021/ja026660g (Pubitemid 34809621)
5. V. S. Bajaj, C. T. Farrar, I. Mastovsky, J. Vieregg, J. Bryant, B. Elena, K. E. Kreischer, R. J. Temkin, and R. G. Griffin, J. Magn. Reson. 160, 85 (2003). 10.1016/S1090-7807(02)00192-1
6. A. B. Barnes, G. De Paepe, P. C. A. Van Der Wel, K. N. Hu, C. G. Joo, V. S. Bajaj, M. L. Mak-Jurkauskas, J. R. Sirigiri, J. Herzfeld, R. J. Temkin, and R. G. Griffin, Appl. Magn. Reson. 34, 237 (2008). 10.1007/s00723-008-0129-1
7. T. Maly, G. T. Debelouchina, V. S. Bajaj, K.-N. Hu, C.-G. Joo, M. L. Mak-Jurkauskas, J. R. Sirigiri, P. C. A. Van Der Wel, J. Herzfeld, R. J. Temkin, and R. G. Griffin, J. Chem. Phys. 128, 052302 (2008). 10.1063/1.2833582 (Pubitemid 351598415)
8. C. Song, K. N. Hu, C. G. Joo, T. M. Swager, and R. G. Griffin, J. Am. Chem. Soc. 128, 11385 (2006). 10.1021/ja061284b (Pubitemid 44338831)
9. Y. Matsuki, T. Maly, O. Ouari, H. Karoui, F. Le Moigne, E. Rizzato, S. Lyubenova, J. Herzfeld, T. Prisner, P. Tordo, and R. G. Griffin, Angew. Chem., Int. Ed. 48, 4996 (2009). 10.1002/anie.200805940
10. M. Rosay, J. C. Lansing, K. C. Haddad, W. W. Bachovchin, J. Herzfeld, R. J. Temkin, and R. G. Griffin, J. Am. Chem. Soc. 125, 13626 (2003). 10.1021/ja036898k (Pubitemid 37386013)
11. M. L. Mak-Jurkauskas, V. S. Bajaj, M. K. Hornstein, M. Belenky, R. G. Griffin, and J. Herzfeld, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 105, 883 (2008). 10.1073/pnas.0706156105 (Pubitemid 351282050)
12. V. S. Bajaj, M. L. Mak-Jurkauskas, M. Belenky, J. Herzfeld, and R. G. Griffin, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 106, 9244 (2009). 10.1073/pnas. 0900908106
13. E. Salnikov, M. Rosay, S. Pawsey, O. Ouari, P. Tordo, and B. Bechinger, J. Am. Chem. Soc. 132, 5940 (2010). 10.1021/ja1007646
14. J. A. Goncalves, S. Ahuja, S. Erfani, M. Eilers, and S. O. Smith, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 57, 159 (2010). 10.1016/j.pnmrs.2010.04.004
15. G. T. Debelouchina, M. J. Bayro, P. C. A. Van Der Wel, M. A. Caporini, A. B. Barnes, M. Rosay, W. E. Maas, and R. G. Griffin, Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 5911 (2010). 10.1039/c003661g
16. P. C. A. Van Der Wel, K. N. Hu, J. Lewandowski, and R. G. Griffin, J. Am. Chem. Soc. 128, 10840 (2006). 10.1021/ja0626685 (Pubitemid 44277772)
17. M. Rosay, A. C. Zeri, N. S. Astrof, S. J. Opella, J. Herzfeld, and R. G. Griffin, J. Am. Chem. Soc. 123, 1010 (2001). 10.1021/ja005659j (Pubitemid 32151393)
18. V. Vitzthum, M. A. Caporini, and G. Bodenhausen, J. Magn. Reson. 205, 177 (2010). 10.1016/j.jmr.2010.04.014
19. A. Lesage, M. Lelli, D. Gajan, M. A. Caporini, V. Vitzthum, P. Miöville, J. Alauzun, A. Roussey, C. Thieuleux, A. Mehdi, G. Bodenhausen, C. Copöret, and L. Emsley, J. Am. Chem. Soc. 132, 15459 (2010). 10.1021/ja104771z
20. F. A. Gallagher, M. I. Kettunen, S. E. Day, D. E. Hu, J. H. Ardenkjaer-Larsen, R. int Zandt, P. R. Jensen, M. Karlsson, K. Golman, M. H. Lerche, and K. M. Brindle, Nature (London) 453, 940 (2008). 10.1038/nature07017 (Pubitemid 351832568)
21. M. C. Krishna, S. English, K. Yamada, J. Yoo, R. Murugesan, N. Devasahayam, J. A. Cook, K. Golman, J. H. Ardenkjaer-Larsen, S. Subramanian, and J. B. Mitchell, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 99, 2216 (2002). 10.1073/pnas.042671399 (Pubitemid 34169041)
22. A. B. Barnes, M. L. Mak-Jurkauskas, Y. Matsuki, V. S. Bajaj, P. C. A. Van Der Wel, R. DeRocher, J. Bryant, J. R. Sirigiri, R. J. Temkin, J. Lugtenburg, J. Herzfeld, and R. G. Griffin, J. Magn. Reson. 198, 261 (2009). 10.1016/j.jmr.2009.03.003
23. K. R. Thurber, W.-M. Yau, and R. Tycko, J. Magn. Reson. 204, 303 (2010). 10.1016/j.jmr.2010.03.016
24. K.-N. Hu, H.-h. Yu, T. M. Swager, and R. G. Griffin, J. Am. Chem. Soc. 126, 10844 (2004). 10.1021/ja039749a (Pubitemid 39180561)
25. K. N. Hu, C. Song, H. H. Yu, T. M. Swager, and R. G. Griffin, J. Chem. Phys. 128, 052302 (2008). 10.1063/1.2816783 (Pubitemid 351611579)
26. A. Abragam and M. Goldman, Nuclear Magnetism: Order and Disorder (Clarendon, Oxford, 1982).
27. M. Goldman, Spin Temperature and Nuclear Magnetic Resonance in Solids (Clarendon, Oxford, 1970).
28. R. A. Wind, M. J. Duijvestijn, C. Vanderlugt, A. Manenschijn, and J. Vriend, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 17, 33 (1985). 10.1016/0079-6565(85) 80005-4
29. V. A. Atsarkin, Sov. Phys. Usp. 21, 725 (1978). 10.1070/ PU1978v021n09ABEH005678
30. A. V. Kessenikh, V. I. Lushchikov, A. A. Manenkov, and Y. V. Taran, Sov. Phys. Solid State 5 (2), 321 (1963).
31. A. V. Kessenikh, A. A. Manenkov, and G. I. Pyatnitskii, Sov. Phys. Solid State 6 (3), 641 (1964).
32. C. F. Hwang and D. A. Hill, Phys. Rev. Lett. 18, 110 (1967). 10.1103/PhysRevLett.18.110
33. C. F. Hwang and D. A. Hill, Phys. Rev. Lett. 19, 1011 (1967). 10.1103/PhysRevLett.19.1011
34. D. S. Wollan, Phys. Rev. B 13, 3671 (1976). 10.1103/PhysRevB.13.3671
35. D. S. Wollan, Phys. Rev. B 13, 3686 (1976). 10.1103/PhysRevB.13.3686
36. G. Jeschke and A. Schweiger, Mol. Phys. 88, 355 (1996).
37. A. Schweiger and G. Jeschke, Principles of Pulse Electron Paramagnetic Resonance (Oxford University Press, New York, 2001).
38. Y. Hovav, A. Feintuch, and S. Vega, J. Magn. Reson. 207, 176 (2010). 10.1016/j.jmr.2010.10.016
39. G. Jeschke, J. Chem. Phys. 106, 10072 (1997). 10.1063/1.474063
40. R. Kaptein, J. Am. Chem. Soc. 94, 6251 (1972). 10.1021/ja00773a001
41. M. G. Zysmilich and A. McDermott, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 93, 6857 (1996). 10.1073/pnas.93.14.6857 (Pubitemid 26243463)
42. G. Jeschke, J. Am. Chem. Soc. 120, 4425 (1998). 10.1021/ja973744u (Pubitemid 28261203)
43. J. P. Wolfe, Phys. Rev. Lett. 31, 907 (1973). 10.1103/PhysRevLett.31.907
44. A. D. A. Hansen and J. P. Wolfe, Phys. Lett. 66A, 320 (1978). 10.1016/0375-9601(78)90251-7
45. C. F. Koelsch, J. Am. Chem. Soc. 79, 4439 (1957). 10.1021/ja01573a053
46. J. H. Ardenkjaer-Larsen, I. Laursen, I. Leunbach, G. Ehnholm, L. G. Wistrand, J. S. Petersson, and K. Golman, J. Magn. Reson. 133, 1 (1998). 10.1006/jmre.1998.1438
47. V. Weis, M. Bennati, M. Rosay, J. A. Bryant, and R. G. Griffin, J. Magn. Reson. 140, 293 (1999). 10.1006/jmre.1999.1841
48. C. T. Farrar, D. A. Hall, G. J. Gerfen, S. J. Inati, and R. G. Griffin, J. Chem. Phys. 114, 4922 (2001). 10.1063/1.1346640 (Pubitemid 32287642)
49. M. Rosay, V. Weis, K. E. Kreischer, R. J. Temkin, and R. G. Griffin, J. Am. Chem. Soc. 124, 3214 (2002). 10.1021/ja0176752 (Pubitemid 34270354)
50. See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.3564920 E-JCPSA6-134-012110 for detailed derivations, symbol definitions and experimental details.
51. A. Pines, M. G. Gibby, and J. S. Waugh, J. Chem. Phys. 56, 1776 (1972). 10.1063/1.1677439
52. L. R. Becerra, G. J. Gerfen, B. F. Bellew, J. A. Bryant, D. A. Hall, S. J. Inati, R. T. Weber, S. Un, T. F. Prisner, A. E. McDermott, K. W. Fishbein, K. E. Kreischer, R. J. Temkin, D. J. Singel, and R. G. Griffin, J. Magn. Reson. A 117, 28 (1995). 10.1006/jmra.1995.9975
53. C. D. Joye, R. G. Griffin, M. K. Hornstein, K.-N. Hu, K. E. Kreischer, M. Rosay, M. A. Shapiro, J. R. Sirigiri, R. J. Temkin, and P. P. Woskov, IEEE Trans. Plasma Sci. 34, 518 (2006). 10.1109/TPS.2006.875776
54. T. Maly, J. Bryant, D. Ruben, and R. G. Griffin, J. Magn. Reson. 183, 303 (2006). 10.1016/j.jmr.2006.09.012 (Pubitemid 44739350)
55. K. N. Hu, V. S. Bajaj, M. Rosay, and R. G. Griffin, J. Chem. Phys. 126, 044512 (2007). 10.1063/1.2429658 (Pubitemid 46372709)
56. T. Maly, A.-F. Miller, and R. G. Griffin, ChemPhysChem 11, 999 (2010). 10.1002/cphc.200900908
57. T. Maly, L. B. Andreas, A. A. Smith, and R. G. Griffin, Phys. Chem. Chem. Phys. 12 (2010). 10.1039/c003705b
58. P. W. Woskov, V. S. Bajaj, M. K. Hornstein, R. J. Temkin, and R. G. Griffin, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 53, 1863 (2005). 10.1109/TMTT.2005.848097 (Pubitemid 41083847)
59. O. S. Leifson and C. D. Jeffries, Phys. Rev. 122, 1781 (1961). 10.1103/PhysRev.122.1781
60. C. D. Jeffries, Dynamic Nuclear Orientation (Interscience, New York, 1963).