I en gemensam experimentell-teoretisk studie publicerad i Nature , undersökte fysiker vid Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK), tillsammans med medarbetare från RIKEN, Japan, de magnetiska egenskaperna hos isotopen helium-3. För första gången, de elektroniska och nukleära g-faktorerna i ³ Han ⁺ joner mättes direkt med en relativ precision på 10–10. Den magnetiska interaktionen mellan elektron och kärna (nollfälts hyperfin splittring) mättes med en noggrannhet som förbättrades med två storleksordningar. G-faktorn för bara ³ Kärnan bestämdes genom en noggrann beräkning av den elektroniska avskärmningen. Resultaten utgör den första direkta kalibreringen för ³ Han sönder kärnmagnetisk resonans (NMR).

Den exakta kunskapen om materiens magnetiska egenskaper på atomär/kärnnivå är av stor betydelse för grundläggande fysik såväl som för tillämpningar som kärnmagnetiska resonanssonder (NMR). Laddade partiklar med en inneboende rörelsemängd (spin) fungerar som en liten magnetisk nål. Proportionaliteten mellan magnetiskt moment (styrkan hos magnetfältet) och spinn ges av den så kallade g-faktorn, som är en egenskap hos den specifika partikeln och dess miljö. En atomär eller nukleär rörelsemängd kvantiseras:i synnerhet elektronens spinn (liksom för kärnan) i ³ Han kan vara orienterad antingen parallellt eller antiparallellt med ett externt magnetfält.

Den magnetiska interaktionen av ³ Han är trefaldig (Fig. 1):I ett externt magnetfält kan den magnetiska momentorienteringen av elektronen/kärnan vara parallell eller antiparallell med fältlinjerna. Dessutom finns det magnetiska interaktionen mellan elektron och kärna (så kallad hyperfin splitting). Detta leder till övergripande fyra energinivåer beroende på den elektroniska och nukleära spinnorienteringen. Övergångar mellan dem (motsvarande en spin-flip) kan induceras resonant av mikrovågsstrålning. Detta möjliggör en mycket exakt mätning av resonansfrekvenserna, från vilka g-faktorerna såväl som den hyperfina uppdelningen för ett givet magnetfält direkt kan härledas.

För experimentet använde forskarna vid avdelningen för Klaus Blaum vid MPIK tillsammans med medarbetare från University of Mainz och RIKEN (Tokyo, Japan) en enjon Penning-fälla (Fig. 2) för att mäta övergångsfrekvenserna mellan de hyperfina tillstånden och samtidigt magnetfältet, via noggrann bestämning av cyklotronfrekvensen för den fångade jonen.

Antonia Schneider, första författare till artikeln, beskriver uppställningen av fällan:"Den är placerad inuti en 5,7 Tesla supraledande magnet och består av två delar:en precisionsfälla för mätning av jonfrekvenserna och interaktionen med mikrovågsstrålningen och en analysfälla för att bestämma hyperfintillståndet." För varje övergång når spin-flip-hastigheten ett maximum vid resonans. G-faktorerna och nollfältets hyperfina uppdelning extraheras sedan från analysen av resonanskurvorna. Den nya experimentuppställningen förbättrar precisionen för g-faktorerna med en faktor 10 till nivån 10–10.

"För att extrahera g-faktorn för den nakna kärnan i ³ Han ²⁺ från den uppmätta nukleära g-faktorn i ³ Han ⁺ , måste man ta hänsyn till elektronens diamagnetiska avskärmning, d.v.s. dess magnetiska svar på det yttre fältet," förklarar Bastian Sikora från avdelningen för Christoph H. Keitel på MPIK.

Teoretikerna bestämde skärmningsfaktorn med hög precision med hjälp av mycket noggranna kvantelektrodynamiska (QED) beräkningar. Inom samma teoretiska ram beräknade de också den bundna elektronens g-faktor för ³ Han ⁺ och nollfälts hyperfindelningen. Alla teoretiska och experimentella resultat är konsekventa inom motsvarande noggrannhet, som har förbättrats för den experimentella nollfältshyperfindelningen med två storleksordningar. Den senare användes för att extrahera en kärnparameter (Zemach-radie) som karakteriserar kärnladdningen och magnetiseringsfördelningen.

I framtiden planerar forskarna att förbättra mätningarna genom att minska den magnetiska inhomogeniteten hos precisionsfällan och mer exakta magnetfältsmätningar. Den nya mätmetoden kan också användas för att bestämma det kärnmagnetiska momentet för andra väteliknande joner. Ett nästa steg är en direkt mätning av det magnetiska momentet för den bara ³ Han kärna i en Penning-fälla med en relativ precision i storleksordningen 1 ppb eller bättre genom att implementera sympatisk laserkylning. + Utforska vidare

Lösning på det hyperfina pusslet inom räckhåll