Undersøker de magnetiske egenskapene til helium-3

I en felles eksperimentell-teoretisk studie publisert i Natur, undersøkte fysikere ved Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK), sammen med samarbeidspartnere fra RIKEN, Japan, de magnetiske egenskapene til isotopen helium-3. For første gang ble de elektroniske og kjernefysiske g-faktorene til ³Han⁺ ioner ble målt direkte med en relativ presisjon på 10–10. Den magnetiske elektron-kjerne-interaksjonen (nullfelt hyperfin splitting) ble målt med en nøyaktighet forbedret med to størrelsesordener. G-faktoren til det bare ³Kjernen ble bestemt via en nøyaktig beregning av den elektroniske skjermingen. Resultatene utgjør den første direkte kalibreringen for ³Han kjernemagnetisk resonans (NMR) sonder.

Den nøyaktige kunnskapen om materiens magnetiske egenskaper på atom-/kjernenivå er av stor betydning for grunnleggende fysikk så vel som for applikasjoner som Nuclear Magnetic Resonance (NMR)-sonder. Ladede partikler med en iboende vinkelmomentum (spinn) fungerer som en liten magnetisk nål. Proporsjonaliteten til magnetisk moment (styrken til magnetfeltet) og spinn er gitt av den såkalte g-faktoren, som er en egenskap ved den spesifikke partikkelen og dens miljø. Et atom- eller kjernefysisk vinkelmoment er kvantisert: spesielt spinnet til elektronet (så vel som for kjernen) i ³Han kan være orientert enten parallelt eller anti-parallell med et eksternt magnetfelt.

Den magnetiske interaksjonen av ³Han er tredelt (fig. 1): I en eksternt magnetfelt, kan den magnetiske momentorienteringen til elektronet/kjernen være parallell eller antiparallell med feltlinjene. I tillegg er det den magnetiske interaksjonen mellom elektron og kjerne (såkalt hyperfin splitting). Dette fører til totalt fire energinivåer avhengig av elektronisk og kjernefysisk spinnorientering. Overganger mellom dem (tilsvarende en spin-flip) kan induseres resonant av mikrobølgestråling. Dette gir mulighet for en svært presis måling av resonansfrekvensene, hvorfra g-faktorene så vel som den hyperfine splittingen for et gitt magnetfelt direkte kan utledes.

For eksperimentet brukte forskerne ved avdelingen til Klaus Blaum ved MPIK sammen med samarbeidspartnere fra University of Mainz og RIKEN (Tokyo, Japan) en enkelt-ion Penning-felle (fig. 2) for å måle overgangsfrekvensene mellom de hyperfine tilstandene og samtidig magnetfeltet, via nøyaktig bestemmelse av syklotronfrekvensen til det fangede ionet.

Antonia Schneider, førsteforfatter av artikkelen, beskriver oppsettet av fellen: “Den er plassert inne i en 5,7 Tesla superledende magnet og består av to deler: en presisjonsfelle for måling av ionefrekvensene og interaksjonen med mikrobølgestrålingen og en analysefelle for å bestemme hyperfintilstanden.” For hver overgang når spin-flip-hastigheten et maksimum ved resonans. G-faktorene og null-felt hyperfin splitting trekkes deretter ut fra analysen av resonanskurvene. Det nye eksperimentelle oppsettet forbedrer presisjonen for g-faktorene med en faktor 10 til nivået 10–10.

“For å trekke ut g-faktoren til den nakne kjernen i ³Han²⁺ fra den målte kjernefysiske g-faktoren i ³Han⁺må man ta hensyn til elektronets diamagnetiske skjerming, dvs. dets magnetiske respons på det ytre feltet», forklarer Bastian Sikora fra avdelingen til Christoph H. Keitel ved MPIK.

Teoretikerne bestemte skjermingsfaktoren med høy presisjon ved å bruke svært nøyaktige kvanteelektrodynamiske (QED) beregninger. Innenfor det samme teoretisk rammeverkberegnet de også bundet elektron g-faktor for ³Han⁺ og nullfelts hyperfindeling. Alle teoretiske og eksperimentelle resultater er konsistente innenfor den tilsvarende nøyaktigheten, som har blitt forbedret for den eksperimentelle nullfelt hyperfine splittingen med to størrelsesordener. Sistnevnte ble brukt til å trekke ut en kjernefysisk parameter (Zemach-radius) som karakteriserer kjerneladningen og magnetiseringsfordelingen.

I fremtiden planlegger forskerne å forbedre målingene ved å redusere den magnetiske inhomogeniteten til presisjonsfellen og mer presise magnetfeltmålinger. Den nye målemetoden kan også brukes til å bestemme det kjernemagnetiske momentet til andre hydrogenlignende ioner. Et neste trinn er en direkte måling av det magnetiske momentet til det bare ³Han kjerne i en Penning-felle med en relativ presisjon i størrelsesorden 1 ppb eller bedre ved å implementere sympatisk laserkjøling.

---

---