Fig. 1:Vista schematica del 3 Lui + interazioni magnetiche interne ed esterne degli ioni. Sfondo:radiazione a microonde. Credito:MPI
In uno studio teorico-sperimentale congiunto pubblicato su Nature , i fisici dell'Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK), insieme ai collaboratori di RIKEN, in Giappone, hanno studiato le proprietà magnetiche dell'isotopo elio-3. Per la prima volta, i fattori g elettronici e nucleari del 3 Lui + ioni sono stati misurati direttamente con una precisione relativa di 10–10. L'interazione magnetica elettrone-nucleo (divisione iperfine a campo zero) è stata misurata con una precisione migliorata di due ordini di grandezza. Il fattore g del nudo 3 Il nucleo è stato determinato tramite un accurato calcolo della schermatura elettronica. I risultati costituiscono la prima calibrazione diretta per 3 Le sonde a risonanza magnetica nucleare (NMR).
La conoscenza precisa delle proprietà magnetiche della materia a livello atomico/nucleare è di grande importanza per la fisica fondamentale così come per applicazioni come le sonde di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR). Le particelle cariche con un momento angolare intrinseco (spin) agiscono come un minuscolo ago magnetico. La proporzionalità del momento magnetico (forza del campo magnetico) e dello spin è data dal cosiddetto fattore g, che è una proprietà della particella specifica e del suo ambiente. Viene quantizzato un momento angolare atomico o nucleare:in particolare lo spin dell'elettrone (così come quello del nucleo) in 3 Può essere orientato sia in parallelo che in antiparallelo ad un campo magnetico esterno.
L'interazione magnetica di 3 È triplice (Fig. 1):in un campo magnetico esterno, l'orientamento del momento magnetico dell'elettrone/nucleo può essere parallelo o antiparallelo alle linee di campo. Inoltre, c'è l'interazione magnetica tra elettrone e nucleo (la cosiddetta scissione iperfine). Ciò porta a quattro livelli di energia complessivi a seconda dell'orientamento dello spin elettronico e nucleare. Le transizioni tra di loro (corrispondenti a uno spin-flip) possono essere indotte in modo risonante dalla radiazione a microonde. Ciò consente una misurazione altamente precisa delle frequenze di risonanza, da cui è possibile dedurre direttamente i fattori g e la divisione iperfine per un dato campo magnetico.
Fig. 2:Fotografia e vista schematica della trappola Penning per il 3 Lui + misurazione della struttura iperfine. Credito:MPI
Per l'esperimento, i ricercatori della divisione di Klaus Blaum presso MPIK insieme ai collaboratori dell'Università di Mainz e RIKEN (Tokyo, Giappone) hanno utilizzato una trappola di Penning a ione singolo (Fig. 2) per misurare le frequenze di transizione tra gli stati iperfini e contemporaneamente il campo magnetico, attraverso l'accurata determinazione della frequenza di ciclotrone dello ione intrappolato.
Antonia Schneider, prima autrice dell'articolo, descrive la configurazione della trappola:"E' posta all'interno di un magnete superconduttore da 5,7 Tesla ed è composta da due parti:una trappola di precisione per la misura delle frequenze ioniche e l'interazione con la radiazione a microonde e una trappola di analisi per determinare lo stato iperfine." Per ogni transizione, la velocità di rotazione di rotazione raggiunge un massimo alla risonanza. I fattori g e lo splitting iperfine a campo zero vengono quindi estratti dall'analisi delle curve di risonanza. La nuova configurazione sperimentale migliora la precisione per i fattori g di un fattore da 10 al livello di 10–10.
"Per estrarre il fattore g del nucleo nudo in 3 Lui 2+ dal fattore g nucleare misurato in 3 Lui + , bisogna tenere conto della schermatura diamagnetica dell'elettrone, ovvero della sua risposta magnetica al campo esterno", spiega Bastian Sikora della divisione di Christoph H. Keitel presso MPIK.
I teorici hanno determinato il fattore di schermatura con elevata precisione utilizzando calcoli elettrodinamici quantistici (QED) altamente accurati. All'interno dello stesso quadro teorico, hanno anche calcolato il fattore g dell'elettrone legato per 3 Lui + e la divisione iperfine a campo zero. Tutti i risultati teorici e sperimentali sono coerenti all'interno dell'accuratezza corrispondente, che è stata migliorata per la divisione sperimentale iperfine a campo zero di due ordini di grandezza. Quest'ultimo è stato utilizzato per estrarre un parametro nucleare (raggio di Zemach) che caratterizza la carica nucleare e la distribuzione della magnetizzazione.
In futuro, i ricercatori intendono migliorare le misurazioni riducendo la disomogeneità magnetica della trappola di precisione e misurazioni più precise del campo magnetico. Il nuovo metodo di misurazione può essere applicato anche per determinare il momento magnetico nucleare di altri ioni simili all'idrogeno. Un passo successivo è una misurazione diretta del momento magnetico del nudo 3 Ha il nucleo in una trappola di Penning con una precisione relativa dell'ordine di 1 ppb o migliore implementando il raffreddamento laser simpatico. + Esplora ulteriormente
