En mécanique quantique, le moment cinétique magnétique dans la direction z est donné par $L_z=m_I\hbar$. Le noyau avec $m_I=1/2$ a $L_z=1/2\hbar$, tandis que le noyau avec $m_I=-1/2$ a $L_z=-1/2\hbar$. Le moment magnétique dans cette direction est $\mu_z=\gamma L_z$.

Ces équations nous permettent de déterminer l'énergie des deux niveaux. \begin{equation}\label{ec4} E=-\mu_zB_0=-\gamma m_I\hbar B_0 \end{equation} Nous pouvons maintenant calculer la différence d'énergie entre les deux niveaux \begin{equation}\label{ec6} \ Delta E=-\gamma (-1/2)\hbar B_0 + \gamma 1/2\hbar B_0=\gamma\hbar B_0 \end{équation}

Comme on peut le voir dans l'équation (\ref{ec6}), la différence d'énergie dépend du champ magnétique appliqué. Si le champ magnétique est faible, $\Delta E$ est faible et la différence de population entre les deux niveaux est également faible, ce qui pose un problème de sensibilité. Aux champs magnétiques élevés, nous avons une séparation significative entre les niveaux, ce qui donne lieu à une grande différence de population, obtenant une plus grande sensibilité.