Elektronska spinska resonanca (ESR) je oblika spektroskopije, ki se uporablja na paramagnetnih materialih – materialih, ki postanejo magnetni, ko so izpostavljeni zunanjemu magnetnemu polju. ESR se imenuje tudi elektronska paramagnetna resonanca ali EPR. Elektronska spinska resonanca ima različne aplikacije v kemiji in biologiji ter se uporablja celo na področjih, kot je kvantno računalništvo.
Elektron nosi naboj in se vrti. Zato inducira magnetni moment. Če ga postavite v zunanje magnetno polje, bo magnetni moment elektrona poravnan s smerjo magnetnega polja. Možno je tudi, da se elektron poravna v nasprotni smeri magnetnega polja, vendar to zahteva več energije in ni naravno stanje elektrona. To je znanstvena podlaga za elektronsko spinsko resonanco.
Pri ESR se snov z molekulami, ki imajo dodatne ali neparne elektrone, dajo v magnetno polje in nanjo nanesejo energijo, običajno v obliki mikrovalov. Neparni elektroni bodo absorbirali elektromagnetno energijo in se premaknili v višje energijsko stanje, tako da bodo svoje magnetne momente ponovno poravnali tako, da bodo nasprotni od zunanje uporabljenega magnetnega polja. Frekvenca energije, ki jo absorbirajo elektroni, kaže na kemično strukturo molekule, na katero so pritrjeni. Na ta način lahko elektronsko spinsko resonanco uporabimo za določanje kemične sestave različnih materialov.
Ključno je, da ima snov neparne elektrone. To je zato, ker se bodo parni elektroni po Paulijevem principu izključitve vrteli v nasprotnih smereh in zato ne bodo imeli neto magnetnega momenta. Ti materiali so znani kot diamagnetni in niso primerni za ESR.
Kot pri drugih tehnikah resonančne spektroskopije je treba elektronom, ki se uporabljajo pri elektronski spin resonanci, omogočiti, da se sprostijo in se vrnejo v svoja nižja energijska stanja. Če ne, bodo vsi elektroni vzbujeni in nadaljnja absorpcija ne bo mogoča. V tem primeru ne bo ničesar za merjenje in posledično ne bo proizveden signal. Relaksacija s spin-mrežo, kjer elektron daje energijo svoji okolici, in spin-spin relaksacija, kjer elektron daje energijo drugemu elektronu, sta dve metodi, pri katerih lahko pride do relaksacije.
ESR je še posebej primeren za odkrivanje prostih radikalov, ki so niz zelo reaktivnih molekul z neparnimi elektroni. Znano je, da so prosti radikali vzrok za številne bolezni, zastrupitve in celo raka. Povzročajo tudi propadanje zobne sklenine z znano hitrostjo, kar pomeni, da se lahko elektronsko spinsko resonanco uporablja za datiranje zob in s tem tudi ljudi. Presežek prostih radikalov je prisoten tudi v pivu in vinu, ki jim je potekel rok uporabnosti.
ESR je tudi vodilni kandidat v številnih najsodobnejših tehnologijah. Ti vključujejo umetno fotosintezo in kvantno računalništvo. Pri slednjem se lahko s fino nastavitvijo ESR za delo na enem samem elektronu namesto na skupini elektronov ustvari logična vrata, ki ustrezajo energijskim stanjem magnetnega momenta elektrona.