In een gezamenlijk experimenteel-theoretisch onderzoek gepubliceerd in Nature , hebben natuurkundigen van het Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK), samen met medewerkers van RIKEN, Japan, de magnetische eigenschappen van de isotoop helium-3 onderzocht. Voor het eerst zijn de elektronische en nucleaire g-factoren van de ³ Hij ⁺ ionen werden direct gemeten met een relatieve precisie van 10-10. De elektron-kern magnetische interactie (zero-field hyperfine splitsing) werd gemeten met een nauwkeurigheid die met twee ordes van grootte was verbeterd. De g-factor van de kale ³ De kern werd bepaald via een nauwkeurige berekening van de elektronische afscherming. De resultaten vormen de eerste directe kalibratie voor ³ De kernmagnetische resonantie (NMR) sondes.

De precieze kennis van de magnetische eigenschappen van materie op atomair/nucleair niveau is van groot belang voor zowel de fundamentele fysica als voor toepassingen zoals nucleaire magnetische resonantie (NMR) sondes. Geladen deeltjes met een inherent impulsmoment (spin) werken als een kleine magnetische naald. De evenredigheid van magnetisch moment (sterkte van het magnetische veld) en spin wordt gegeven door de zogenaamde g-factor, die een eigenschap is van het specifieke deeltje en zijn omgeving. Een atomair of nucleair impulsmoment wordt gekwantiseerd:in het bijzonder de spin van het elektron (evenals voor de kern) in ³ Hij kan parallel of antiparallel aan een extern magnetisch veld worden georiënteerd.

De magnetische interactie van ³ Hij is drievoudig (Fig. 1):In een extern magnetisch veld kan de magnetische momentoriëntatie van het elektron/kern parallel of antiparallel aan de veldlijnen zijn. Daarnaast is er de magnetische interactie tussen elektron en kern (de zogenaamde hyperfine splitsing). Dit leidt tot in totaal vier energieniveaus, afhankelijk van de oriëntatie van de elektronische en nucleaire spin. Overgangen daartussen (overeenkomend met een spin-flip) kunnen resonant worden geïnduceerd door microgolfstraling. Dit maakt een zeer nauwkeurige meting van de resonantiefrequenties mogelijk, waaruit zowel de g-factoren als de hyperfijnsplitsing voor een bepaald magnetisch veld direct kunnen worden afgeleid.

Voor het experiment gebruikten de onderzoekers van de afdeling Klaus Blaum bij MPIK samen met medewerkers van de Universiteit van Mainz en RIKEN (Tokyo, Japan) een enkel-ion Penning-val (Fig. 2) om de overgangsfrequenties tussen de hyperfijne toestanden te meten en tegelijkertijd het magnetische veld, via de nauwkeurige bepaling van de cyclotronfrequentie van het gevangen ion.

Antonia Schneider, eerste auteur van het artikel, beschrijft de opzet van de val:"Het is geplaatst in een supergeleidende magneet van 5,7 Tesla en bestaat uit twee delen:een precisieval voor het meten van de ionenfrequenties en de interactie met de microgolfstraling en een analyseval om de hyperfijne toestand te bepalen." Voor elke overgang bereikt de spin-flip-snelheid een maximum bij resonantie. De g-factoren en de nulveldhyperfijnsplitsing worden vervolgens geëxtraheerd uit de analyse van de resonantiecurven. De nieuwe experimentele opstelling verbetert de precisie voor de g-factoren met een factor 10 tot een niveau van 10–10.

"Om de g-factor van de kale kern te extraheren in ³ Hij ²⁺ van de gemeten nucleaire g-factor in ³ Hij ⁺ , moet men rekening houden met de diamagnetische afscherming van het elektron, d.w.z. zijn magnetische respons op het externe veld", legt Bastian Sikora uit van de afdeling Christoph H. Keitel bij MPIK.

De theoretici bepaalden de afschermingsfactor met hoge precisie met behulp van zeer nauwkeurige kwantumelektrodynamische (QED) berekeningen. Binnen hetzelfde theoretische kader berekenden ze ook de gebonden elektron g-factor voor ³ Hij ⁺ en de nulveld hyperfijnsplitsing. Alle theoretische en experimentele resultaten zijn consistent binnen de overeenkomstige nauwkeurigheid, die is verbeterd voor de experimentele nulveld hyperfijnsplitsing met twee ordes van grootte. De laatste werd gebruikt om een ​​nucleaire parameter (Zemach-straal) te extraheren die de nucleaire lading en magnetisatieverdeling karakteriseert.

In de toekomst zijn de onderzoekers van plan de metingen te verbeteren door de magnetische inhomogeniteit van de precisieval te verminderen en preciezere magnetische veldmetingen te doen. De nieuwe meetmethode kan ook worden toegepast om het kernmagnetisch moment van andere waterstofachtige ionen te bepalen. Een volgende stap is een directe meting van het magnetische moment van de kale ³ De kern in een Penning-val met een relatieve precisie in de orde van 1 ppb of beter door sympathieke laserkoeling te implementeren. + Verder verkennen

Oplossing voor de hyperfijne puzzel binnen handbereik