Vorig jaar, natuurkundigen van de TU Darmstadt twijfelen aan ons huidige begrip van het samenspel tussen elektronen en atoomkernen, en verhogen nu de ante door een oplossing voor deze zogenaamde "hyperfijne puzzel" voor te stellen. Nieuwe metingen van de magnetische eigenschappen van bismut-atoomkernen zijn nu gepubliceerd in een artikel in Fysieke beoordelingsbrieven .

Het optische spectrum van een bepaald atoom is het resultaat van de wisselwerking tussen licht en de elektronen in de atoomschil. Ultra-precieze metingen kunnen zelfs de effecten van de interne structuur van de atoomkern onthullen, die worden aangeduid als de "hyperfijne structuur". Bij het meten van de hyperfijne structuur van sterk geladen ionen met weinig resterende elektronen, onderzoekers van de TU Darmstadt vonden een discrepantie tussen de theoretisch voorspelde en experimenteel bepaalde splitsingen:deze empirisch waargenomen discrepanties werden de "hyperfijne puzzel, " en de vraag opgeworpen of de wisselwerking tussen de weinige elektronen gebonden aan de atoomkern en de kern zelf, onder invloed van de heersende enorm sterke magnetische velden, wordt volledig begrepen. De volgende stap naar het oplossen van de puzzel was het opnieuw bepalen van de sterkte van het magnetische veld in de atoomkern:theoretische voorspellingen zijn sterk afhankelijk van deze parameter, die proefondervindelijk moet worden bepaald.

Natuurkundigen van de werkgroepen van Prof. Wilfried Nörtershäuser en Prof. Michael Vogel van het Institute for Nuclear Physics en het Institute for Condensed Matter Physics, respectievelijk, aan de TU Darmstadt werkten samen om de sterkte van het magnetische veld - het zogenaamde magnetische moment - opnieuw te meten met behulp van kernmagnetische resonantiespectroscopie, die wordt gebruikt in de geneeskunde waar het wordt aangeduid als MRI. Het is gebaseerd op het principe dat atoomkernen een magnetisch veld hebben, als zij, zoals de bismutisotoop die wordt onderzocht, een kernspin hebben. De noord- en zuidpool zijn georiënteerd langs de spin-as en zullen uitgelijnd zijn met de magnetische veldas van een extern magnetisch veld. De oriëntatie van de kernmagneten kan worden omgekeerd door de onderzochte atomen te bestralen met radiogolven van een geschikte frequentie, en dit effect kan worden waargenomen. De frequentie van de radiogolven waarmee de polen van richting veranderen, hangt af van het magnetische moment. Door de frequentie te meten, kan men de waarde van het magnetische moment afleiden.

Meting van het magnetische moment wordt beïnvloed

Om dit te behalen, de onderzoekers introduceerden een waterige oplossing verrijkt met bismut-ionen in een supergeleidende magneet en bestraalden deze met radiofrequenties via een kleine spoel totdat ze een polariteitsomkering in de bismut-ionen registreerden.

De uitdaging daarbij is dat de omgeving van de ionen, d.w.z., de atomen waaraan het is gebonden en de vloeistof waarin het is opgelost, verandert het externe magnetische veld in de buurt van de atoomkern, die, beurtelings, beïnvloedt de precieze meting van het magnetische moment. Dit verstorende effect moet van de berekening worden afgetrokken, daartoe werden zeer gespecialiseerde kwantumtheoretische berekeningen uitgevoerd door een groep theoretische natuurkundigen aan de Universiteit van St. Petersburg en aan het Helmholtz Instituut Jena. Het werd duidelijk dat het effect veel groter was dan eerder verwacht bij gebruik van bismutnitraatoplossingen, hetgeen betekent dat metingen met behulp van bismutnitraatoplossingen kennelijk ontoereikend zijn.

De onderzoekers bereikten uiteindelijk een doorbraak door gebruik te maken van een complexe organometaalverbinding, die hexafluoridobismutaat (V) -ionen vrijgeeft in een organische oplossing. De in Darmstadt gevestigde wetenschappers kregen steun van een onderzoeksgroep gespecialiseerd in fluorchemie aan de Universiteit van Marburg, die een monster van de vereiste stof heeft gemaakt. Dus, het was mogelijk om veel smallere resonantiekrommen te meten en preciezere uitspraken te doen over het magnetische moment van de kern. Bovendien, vanuit het kwantumtheoretische perspectief, Voor dit systeem kunnen veel nauwkeuriger berekeningen worden uitgevoerd dan voorheen mogelijk was voor bismutnitraat.

De onderzoekers gebruikten de nieuw berekende waarde voor het magnetische moment van de stabiele bismut-isotoop en maakten een theoretische voorspelling van de splitsing van de hyperfijnstructuur binnen de sterk geladen ionen. De verkregen waarden, komen zeer goed overeen met de resultaten van de eerder gerapporteerde laserspectroscopische metingen. "Het zou te vroeg zijn om te stellen dat dit de complete oplossing is voor de hyperfijne puzzel, " Prof. Wilfried Nörtershäuser van het Instituut voor Kernfysica van de TU Darmstadt legt uit:verder te zeggen; "hoe dan ook, het is zeker een belangrijk deel van de oplossing. Verdere experimenten zijn nog nodig om volledige duidelijkheid te krijgen over het samenspel tussen de atoomkern en de schaal en, daarom, om de theoretische voorspellingen van de aard van de kwantummechanica in zeer sterke velden te verifiëren." Om de complexe invloed van de elektronenschil op metingen van kernmagnetische momenten beter te begrijpen, wetenschappers van de TU Darmstadt willen nu metingen doen van kernmagnetische momenten op atoomkernen met slechts een enkel gebonden elektron of helemaal geen elektronenschil. Volgens Nörtershäuser, dergelijke experimenten worden voorbereid in het GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Darmstadt, waarbij ook andere werkgroepen van de TU Darmstadt betrokken zijn.