Løsning på det hyperfine puslespil inden for rækkevidde

Sidste år, fysikere ved TU Darmstadt tvivler på vores nuværende forståelse af samspillet mellem elektroner og atomkerner, og øger nu ante ved at foreslå en løsning på dette såkaldte "hyperfine puslespil". Nye målinger af de magnetiske egenskaber ved vismut atomkerner er nu offentliggjort i en artikel i Fysisk gennemgangsbreve .

Ethvert givet optiske spektrum er et resultat af samspillet mellem lys og elektronerne i atomskallen. Ultrapræcise målinger kan endda afsløre virkningerne af atomkernens indre struktur, der omtales som "hyperfin struktur". Når man måler den hyperfine struktur af højtladede ioner med få tilbageværende elektroner, forskere ved TU Darmstadt fandt en uoverensstemmelse mellem de teoretisk forudsagte og eksperimentelt bestemte opdelinger:disse empirisk observerede uoverensstemmelser blev omtalt som det "hyperfine puslespil, "og rejste spørgsmålet om, hvorvidt samspillet mellem de få elektroner bundet til atomkernen og selve kernen, under indflydelse af de fremherskende enormt stærke magnetfelter, er fuldt ud forstået. Det næste skridt mod at løse puslespillet var at genbestemme magnetfeltets styrke i atomkernen:teoretiske forudsigelser er stærkt afhængige af denne parameter, som skal bestemmes eksperimentelt.

Fysikere i arbejdsgrupperne for prof. Wilfried Nörtershäuser og prof. Michael Vogel fra instituttet for kernefysik og instituttet for kondenseret materiefysik, henholdsvis, ved TU Darmstadt samarbejdede om at genmåle styrken af ​​det magnetiske felt – det såkaldte magnetiske moment – ​​ved hjælp af kernemagnetisk resonansspektroskopi, som bruges i medicin, hvor det kaldes MR. Det er baseret på princippet om, at atomkerner har et magnetfelt, hvis de, ligesom vismut -isotopen, der undersøges, have et atomspin. Nord- og sydpolen er orienteret langs spinaksen og vil flugte med magnetfeltaksen for et eksternt magnetfelt. Atommagneternes orientering kan vendes ved at bestråle de undersøgte atomer med radiobølger af en passende frekvens, og denne effekt kan observeres. Frekvensen af ​​radiobølgerne, hvormed polerne ændrer retning, afhænger af det magnetiske moment. Ved at måle frekvensen kan man udlede værdien af ​​det magnetiske moment.

Måling af det magnetiske moment påvirkes

For at opnå dette, forskerne introducerede en vandig opløsning beriget med bismuthioner til en superledende magnet og bestrålede den med radiofrekvenser via en lille spole, indtil de registrerede en polaritetsvending i bismuthionerne.

Udfordringen ved at gøre dette er, at ionernes miljø, dvs. atomer, som den er bundet til, såvel som væsken, i hvilken den er opløst, ændrer det eksterne magnetfelt i nærheden af ​​atomkernen, hvilken, på tur, påvirker den præcise måling af det magnetiske moment. Denne forstyrrende effekt skal trækkes fra beregningen, hvortil der blev udført højt specialiserede kvante-teoretiske beregninger af en gruppe teoretiske fysikere ved universitetet i St. Petersborg og ved Helmholtz Institute Jena. Det blev tydeligt, at effekten var meget større end tidligere forventet ved brug af vismut-nitratopløsninger, hvilket betyder, at målinger foretaget ved hjælp af vismut-nitratopløsninger åbenbart er utilstrækkelige.

Forskerne opnåede endelig et gennembrud ved at bruge en kompleks organometallisk forbindelse, som frigiver hexafluoridobismuthat(V)-ioner i organisk opløsning. De forskere i Darmstadt modtog støtte fra en forskningsgruppe specialiseret i fluorkemi ved universitetet i Marburg, der producerede en prøve af det nødvendige stof. Dermed, det var muligt at måle meget smallere resonanskurver og lave mere præcise udsagn om kernens magnetiske moment. I øvrigt, set fra det kvante-teoretiske perspektiv, der kan udføres meget mere nøjagtige beregninger for dette system, end det tidligere havde været muligt for vismutnitrat.

Forskerne brugte den nyligt beregnede værdi for det magnetiske moment af den stabile bismuthisotop og lavede en teoretisk forudsigelse af den hyperfine struktur, der spalter i de højtladede ioner. De opnåede værdier, er meget i god overensstemmelse med resultaterne fra de tidligere rapporterede laserspektroskopiske målinger. "Det ville være for tidligt at oplyse, at dette repræsenterer den komplette løsning på det hyperfine puslespil, " Prof. Wilfried Nörtershäuser fra TU Darmstadts Institut for Nuklear Fysik forklarer, fortsætter med at sige; "alligevel, det er helt sikkert en væsentlig del af løsningen. Yderligere eksperimenter er stadig nødvendige for at opnå fuldstændig klarhed om samspillet mellem atomkernen og skallen og, derfor, at verificere de teoretiske forudsigelser af kvantemekanikkens natur i meget stærke felter. "For bedre at forstå elektronskalens komplekse indflydelse på målinger af nukleare magnetiske øjeblikke, forskere ved TU Darmstadt ønsker nu at foretage målinger af nukleare magnetiske øjeblikke på atomkerner med kun en enkelt bunden elektron eller slet ingen elektronskal. Ifølge Nörtershäuser, sådanne eksperimenter udarbejdes på GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Darmstadt, der også involverer andre arbejdsgrupper fra TU Darmstadt.