Bangunan teknologi sekompleks apapun dibangun diatas prinsip2 dasar Fisika yang sederhana. Seringkali teknologi canggih memiliki cara kerja yang mirip dengan alat-alat di sekitar kita. Contohnya adalah peralatan Cryogenic dipostingan sebelumnya yang prinsip kerjanya sama dengan kulkas di rumah. Perbedaannya hanya di skala dan tingkat presisi yang dibutuhkan.
Sebelumnya saya menyebutkan bahwa medan magnet yang besar dan suhu rendah diperlukan untuk mencapai tingkat polarisasi partikel yang tinggi. Magnet sekuat 5 Tesla (5 ribu kali lebih kuat dibanding magnet kulkas) dan suhu serendah 1 Kelvin (minus 272 derajat) cukup untuk membuat polarisasi elektron setinggi ~ 100% namun tidak untuk proton. Proton ~1000 kali lebih berat dibanding elektron dan magnetic moment nya ~1000 kali lebih kecil dibanding elektron. Oleh karena itu, disamping magnet sebesar 5 Tesla dan suhu serendah 1 Kelvin, ada hal lain yang harus ditambahkan untuk meningkatkan polaritas proton.
Prinsip Kuantum menyatakan bahwa partikel menempati level2 energi yang diskrit. Medan magnet yang besar memecah (split) level energi proton dengan gap yang besar antar level energi. Perbedaan level energi sejalan dengan perbedaan orientasi spin proton. Oleh karena itu, yang sekarang diperluan adalah “pompa” energi, yakni tambahan energi untuk memompa proton untuk loncat ke level energi yang lebih tinggi sekaligus memflip spin proton.
Suntikan energi ini berasal dari gelombang elektromagnetik. Gelombang elektromagnetic memiliki spektrum yang sangat lebar. Sebagai contoh, cahaya tampak berwarna merah adalah gelombang elektromagnet dengan frekuensi ~400 Trilyun Hertz. Gelombang elektromagnet yang diperlukan untuk memflip proton bergantung pada gap energi antar energi level. Untuk proton dalam pengaruh magnet sebesar 5 Tesla, gelombang elektromagnetik yang diperlukan adalah microwave berfrekuensi ~140 Giga Hertz.
Bagaimana membangkitkan microwave tersebut? Prinsipnya tidak jauh beda dengan microwave penghangat makanan. Muatan yang dipercepat akan menghasilkan gelombang elektromagnet. Oleh kerena itu, frekuensi gelombang yang dihasilkan bergantung bagaimana kita mempercepat atau memperlambat elektron. Contohnya pada antena pemancar radio. Elektron pada pemancar akan berosilasi dengan frekuensi yang diatur sesuai kebutuhan frekuensi gelombang yang dipancarkan.
Pada microwave penghangat makanan, gelombang elektromagnet dihasilkan oleh “magnetron”. Magnetron terdiri dari dua silinder konsentris, berfungsi sebagai kutub positif dan negatif, medan magnet, serta beberapa ruang kosong (resonant cavities). Tegangan tinggi menendang dan mempercepat elektron dari kutub negatif ke positif. Medan magnet membuat pergerakan elektron tidak lurus melainkan spiral. Pergerakan elektron yang dipercepat dan spiral ini menghasilkan gelombang mikro di ruang kosong (resonant cavities). Ruang kosong ini geometri nya didesain untuk menghasilkan resonan pada frekuensi yang diperlukan. Bayangkan alat musik tiup seperti seruling, atau pipa organa. Geometri alat musik ini didesain untuk menghasilkan frekuensi suara yang spesifik ketika ada hembusan udara. Pada microwave penghangat makanan, geometri resonant cavity didesain untuk menghasilkan gelombang mikro berfrekuensi ~2.5 Giga Hertz ketika ada elektron dipercepat yang lewat.
Jika microwave penghangat makanan dihasilkan oleh magnetron, maka 140 Giga Hertz untuk mempolarisasi proton dihasilkan oleh Klyostron. Prinsip kerjanya serupa. Teknik untuk mempolarisasi proton ini dinamakan Dynamic Nuclear Polarization.
Foto adalah setting Dynamic Nuclear Polarization untuk mempolarisasi target material di UVA.