L'anno scorso, i fisici della TU Darmstadt mettono in dubbio la nostra attuale comprensione dell'interazione tra elettroni e nuclei atomici, e ora stanno alzando la posta proponendo una soluzione a questo cosiddetto "puzzle iperfine". Nuove misurazioni delle proprietà magnetiche dei nuclei atomici di bismuto sono ora pubblicate in un articolo in Lettere di revisione fisica .

Lo spettro ottico di un dato atomo è il risultato dell'interazione tra la luce e gli elettroni all'interno del guscio atomico. Misure ultraprecise possono persino rivelare gli effetti della struttura interna del nucleo atomico, che sono indicati come la "struttura iperfine". Quando si misura la struttura iperfine di ioni altamente caricati con pochi elettroni rimanenti, i ricercatori della TU Darmstadt hanno trovato una discrepanza tra le scissioni teoricamente previste e quelle determinate sperimentalmente:queste discrepanze osservate empiricamente sono state definite "puzzle iperfine, " e ha sollevato la questione se l'interazione tra i pochi elettroni legati al nucleo atomico e il nucleo stesso, sotto l'influenza dei campi magnetici prevalenti enormemente forti, è pienamente compreso. Il passo successivo verso la soluzione del puzzle è stato quello di ridefinire l'intensità del campo magnetico all'interno del nucleo atomico:le previsioni teoriche dipendono fortemente da questo parametro, che deve essere determinato sperimentalmente.

Fisici dei gruppi di lavoro del Prof. Wilfried Nörtershäuser e del Prof. Michael Vogel dell'Istituto di fisica nucleare e dell'Istituto di fisica della materia condensata, rispettivamente, alla TU Darmstadt stavano collaborando per rimisurare la forza del campo magnetico – il cosiddetto momento magnetico – usando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, che viene utilizzato in medicina dove è indicato come risonanza magnetica. Si basa sul principio che i nuclei atomici hanno un campo magnetico, se essi, come l'isotopo del bismuto in esame, avere una rotazione nucleare. I poli nord e sud sono orientati lungo l'asse di rotazione e si allineeranno con l'asse del campo magnetico di un campo magnetico esterno. L'orientamento dei magneti nucleari può essere invertito irradiando gli atomi in esame con onde radio di frequenza appropriata, e questo effetto può essere osservato. La frequenza delle onde radio alla quale i poli cambiano direzione dipende dal momento magnetico. La misura della frequenza permette di dedurre il valore del momento magnetico.

La misurazione del momento magnetico è influenzata

Per realizzare questo, i ricercatori hanno introdotto una soluzione acquosa arricchita con ioni di bismuto in un magnete superconduttore e l'hanno irradiata con frequenze radio tramite una piccola bobina fino a quando non hanno registrato un'inversione di polarità negli ioni di bismuto.

La sfida nel fare questo è che l'ambiente degli ioni, cioè., gli atomi a cui è legato così come il fluido in cui è disciolto, cambia il campo magnetico esterno in prossimità del nucleo atomico, quale, a sua volta, influenza la misurazione precisa del momento magnetico. Questo effetto dirompente deve essere sottratto dal calcolo, a tal fine sono stati effettuati calcoli teorici quantistici altamente specializzati da un gruppo di fisici teorici presso l'Università di San Pietroburgo e presso l'Helmholtz Institute Jena. È diventato evidente che l'effetto era molto più grande di quanto previsto in precedenza quando si utilizzavano soluzioni di nitrato di bismuto, il che significa che le misurazioni effettuate con l'ausilio di soluzioni di bismuto-nitrato sono evidentemente inadeguate.

I ricercatori hanno finalmente raggiunto una svolta utilizzando un complesso composto organometallico, che rilascia ioni esafluoridobismutato (V) in soluzione organica. Gli scienziati di Darmstadt hanno ricevuto il sostegno di un gruppo di ricerca specializzato in chimica del fluoro presso l'Università di Marburg, che ha prodotto un campione della sostanza richiesta. Così, è stato possibile misurare curve di risonanza molto più strette e fare affermazioni più precise sul momento magnetico del nucleo. Inoltre, dal punto di vista della teoria quantistica, calcoli molto più accurati possono essere eseguiti per questo sistema di quanto fosse stato precedentemente possibile per il nitrato di bismuto.

I ricercatori hanno utilizzato il valore appena calcolato per il momento magnetico dell'isotopo stabile del bismuto e hanno fatto una previsione teorica della struttura iperfine che si divide all'interno degli ioni altamente carichi. I valori ottenuti, sono in ottimo accordo con i risultati delle misurazioni laser-spettroscopiche precedentemente riportate. "Sarebbe troppo presto per affermare che questo rappresenta la soluzione completa al puzzle iperfine, " Il prof. Wilfried Nörtershäuser dell'Istituto di fisica nucleare della TU Darmstadt spiega, continuando a dire; "tuttavia, è sicuramente una parte significativa della soluzione. Sono ancora necessari ulteriori esperimenti per ottenere una completa chiarezza sull'interazione tra il nucleo atomico e il guscio e, perciò, per verificare le previsioni teoriche della natura della meccanica quantistica in campi molto forti." Per comprendere meglio la complessa influenza del guscio elettronico sulle misurazioni dei momenti magnetici nucleari, gli scienziati della TU Darmstadt ora vogliono condurre misurazioni dei momenti magnetici nucleari sui nuclei atomici con un solo elettrone legato o senza alcun guscio di elettroni. Secondo Nörtershäuser, tali esperimenti sono preparati presso il GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research di Darmstadt coinvolgendo anche altri gruppi di lavoro della TU Darmstadt.