Förra året, fysiker vid TU Darmstadt ifrågasätter vår nuvarande förståelse av samspelet mellan elektroner och atomkärnor, och höjer nu ante genom att föreslå en lösning på detta så kallade "hyperfina pussel". Nya mätningar av de magnetiska egenskaperna hos vismut atomkärnor publiceras nu i en artikel i Fysiska granskningsbrev .

Det optiska spektrumet för en given atom är ett resultat av samspelet mellan ljus och elektronerna i atomskalet. Ultraprecisa mätningar kan till och med avslöja effekterna av atomkärnans inre struktur, som kallas "hyperfin struktur". Vid mätning av hyperfin struktur av högladdade joner med få återstående elektroner, forskare vid TU Darmstadt fann en skillnad mellan de teoretiskt förutsagda och experimentellt bestämda delningarna:dessa empiriskt observerade avvikelser kallades "hyperfina pusslet, "och väckte frågan om samspelet mellan de få elektroner som är bundna till atomkärnan och själva kärnan, under påverkan av de rådande enormt starka magnetfälten, är helt förstådd. Nästa steg mot att lösa pusslet var att ombestämma styrkan hos magnetfältet i atomkärnan:teoretiska förutsägelser är starkt beroende av denna parameter, som måste bestämmas experimentellt.

Fysiker i arbetsgrupperna för prof. Wilfried Nörtershäuser och prof. Michael Vogel från Institutet för kärnfysik och Institutet för kondenserad materiefysik, respektive, vid TU Darmstadt samarbetade för att mäta styrkan hos magnetfältet-det så kallade magnetiska momentet-med hjälp av kärnmagnetisk resonansspektroskopi, som används inom medicin där det kallas MR. Det är baserat på principen att atomkärnor har ett magnetfält, om de, som vismutisotopen som undersöks, ha en kärnsnurr. Nord- och sydpolen är orienterade längs spinnaxeln och kommer att anpassas till magnetfältaxeln för ett externt magnetfält. Kärnmagneternas orientering kan vändas genom att bestråla atomerna som undersöks med radiovågor med lämplig frekvens, och denna effekt kan observeras. Frekvensen för radiovågorna vid vilka polerna ändrar sin riktning beror på det magnetiska momentet. Genom att mäta frekvensen kan man härleda värdet av det magnetiska momentet.

Mätning av magnetmomentet påverkas

För att uppnå detta, forskarna introducerade en vattenlösning berikad med vismutjoner till en supraledande magnet och bestrålade den med radiofrekvenser via en liten spole tills de registrerade en polaritetsomvändning i vismutjonerna.

Utmaningen i att göra detta är att jonernas miljö, d.v.s. atomerna till vilka den är bunden liksom vätskan i vilken den är upplöst, förändrar det yttre magnetfältet i närheten av atomkärnan, som, i tur och ordning, påverkar den exakta mätningen av magnetmomentet. Denna störande effekt måste subtraheras från beräkningen, i vilket syfte högspecialiserade kvantteoretiska beräkningar utfördes av en grupp teoretiska fysiker vid universitetet i Sankt Petersburg och vid Helmholtz-institutet Jena. Det blev uppenbart att effekten var mycket större än tidigare förväntat vid användning av vismut-nitratlösningar, vilket innebär att mätningar som görs med hjälp av vismut-nitratlösningar uppenbarligen är otillräckliga.

Forskarna uppnådde slutligen ett genombrott genom att använda en komplex organometallisk förening, som frigör hexafluoridobismutat (V) joner i organisk lösning. De forskare i Darmstadt fick stöd från en forskargrupp specialiserad på fluorkemi vid universitetet i Marburg, som tog fram ett prov av det nödvändiga ämnet. Således, det var möjligt att mäta mycket smalare resonanskurvor och göra mer exakta uttalanden om kärnans magnetiska moment. Dessutom, ur kvantteoretiskt perspektiv, mycket mer exakta beräkningar kan utföras för detta system än vad som tidigare varit möjligt för vismutnitrat.

Forskarna använde det nyberäknade värdet för magnetmomentet för den stabila vismutisotopen och gjorde en teoretisk förutsägelse om den hyperfin struktur som delas in i de högladdade jonerna. De erhållna värdena, överensstämmer mycket väl med resultaten från de tidigare rapporterade laserspektroskopiska mätningarna. "Det skulle vara för tidigt att säga att detta representerar den fullständiga lösningen på det hyperfina pusslet, "Professor Wilfried Nörtershäuser vid TU Darmstadts Institut för kärnfysik förklarar, fortsätter att säga; "ändå, det är säkert en betydande del av lösningen. Ytterligare experiment behövs fortfarande för att uppnå fullständig klarhet om samspelet mellan atomkärnan och skalet och, därför, för att verifiera de teoretiska förutsägelserna om kvantmekanikens natur i mycket starka fält. "För att bättre förstå elektronskalets komplexa inflytande på mätningar av kärnmagnetiska moment, forskare vid TU Darmstadt vill nu utföra mätningar av kärnmagnetiska ögonblick på atomkärnor med bara en enda bunden elektron eller inget elektronskal alls. Enligt Nörtershäuser, sådana experiment utarbetas vid GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i Darmstadt där även andra arbetsgrupper från TU Darmstadt deltar.