Undersøgelse af de magnetiske egenskaber af helium-3

I en fælles eksperimentel-teoretisk undersøgelse offentliggjort i Nature , har fysikere ved Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) sammen med samarbejdspartnere fra RIKEN, Japan, undersøgt de magnetiske egenskaber af isotopen helium-3. For første gang de elektroniske og nukleare g-faktorer i ³ Han ⁺ ion blev målt direkte med en relativ præcision på 10-10. Den magnetiske elektron-kerne-interaktion (nulfelt hyperfin opdeling) blev målt med en nøjagtighed forbedret med to størrelsesordener. G-faktoren for de bare ³ Kernen blev bestemt via en nøjagtig beregning af den elektroniske afskærmning. Resultaterne udgør den første direkte kalibrering for ³ Han kernemagnetisk resonans (NMR) sonder.

Den præcise viden om stoffets magnetiske egenskaber på atom-/nuklear niveau er af stor betydning for fundamental fysik såvel som for applikationer som Nuclear Magnetic Resonance (NMR) sonder. Ladede partikler med en iboende vinkelmomentum (spin) virker som en lille magnetisk nål. Proportionaliteten af ​​magnetisk moment (styrken af ​​magnetfeltet) og spin er givet af den såkaldte g-faktor, som er en egenskab ved den specifikke partikel og dens omgivelser. Et atom- eller nuklear vinkelmomentum kvantiseres:især elektronens spin (såvel som for kernen) i ³ Han kan orienteres enten parallelt eller antiparallelt med et eksternt magnetfelt.

Den magnetiske interaktion af ³ Han er tredobbelt (fig. 1):I et eksternt magnetfelt kan den magnetiske momentorientering af elektronen/kernen være parallel eller antiparallel med feltlinjerne. Derudover er der den magnetiske interaktion mellem elektron og kerne (såkaldt hyperfin spaltning). Dette fører til overordnede fire energiniveauer afhængigt af den elektroniske og nukleare spin-orientering. Overgange mellem dem (svarende til en spin-flip) kan induceres resonant af mikrobølgestråling. Dette giver mulighed for en meget præcis måling af resonansfrekvenserne, hvorfra g-faktorerne såvel som den hyperfine opsplitning for et givet magnetfelt direkte kan udledes.

Til eksperimentet brugte forskerne fra afdelingen af ​​Klaus Blaum ved MPIK sammen med samarbejdspartnere fra University of Mainz og RIKEN (Tokyo, Japan) en enkelt-ion Penning-fælde (fig. 2) til at måle overgangsfrekvenserne mellem de hyperfine tilstande og samtidigt magnetfeltet, via den nøjagtige bestemmelse af cyklotronfrekvensen af ​​den fangede ion.

Antonia Schneider, artiklens første forfatter, beskriver opsætningen af ​​fælden:"Den er placeret inde i en 5,7 Tesla superledende magnet og består af to dele:en præcisionsfælde til måling af ionfrekvenserne og interaktionen med mikrobølgestrålingen og en analysefælde til at bestemme den hyperfine tilstand." For hver overgang når spin-flip-hastigheden et maksimum ved resonans. G-faktorerne og nulfelts hyperfine opdeling ekstraheres derefter fra analysen af ​​resonanskurverne. Den nye eksperimentelle opsætning forbedrer præcisionen for g-faktorerne med en faktor 10 til niveauet 10-10.

"For at udtrække g-faktoren af ​​den nøgne kerne i ³ Han ²⁺ fra den målte nukleare g-faktor i ³ Han ⁺ , skal man tage højde for elektronens diamagnetiske afskærmning, dvs. dens magnetiske respons på det ydre felt," forklarer Bastian Sikora fra afdelingen af ​​Christoph H. Keitel hos MPIK.

Teoretikerne bestemte afskærmningsfaktoren med høj præcision ved hjælp af meget nøjagtige kvanteelektrodynamiske (QED) beregninger. Inden for den samme teoretiske ramme beregnede de også den bundne elektron g-faktor for ³ Han ⁺ og nulfelts hyperfine opdeling. Alle teoretiske og eksperimentelle resultater er konsistente inden for den tilsvarende nøjagtighed, som er blevet forbedret for den eksperimentelle nulfelts hyperfine opdeling med to størrelsesordener. Sidstnævnte blev brugt til at udtrække en nuklear parameter (Zemach radius), der karakteriserer kerneladningen og magnetiseringsfordelingen.

I fremtiden planlægger forskerne at forbedre målingerne ved at reducere den magnetiske inhomogenitet i præcisionsfælden og mere præcise magnetfeltmålinger. Den nye målemetode kan også anvendes til at bestemme det nukleare magnetiske moment af andre brintlignende ioner. Et næste trin er en direkte måling af det magnetiske moment af den bare ³ Han kerne i en Penning-fælde med en relativ præcision i størrelsesordenen 1 ppb eller bedre ved at implementere sympatisk laserkøling. + Udforsk yderligere

Løsning på det hyperfine puslespil inden for rækkevidde