В совместном экспериментально-теоретическом исследовании, опубликованном в журнале Nature, физики Гейдельбергского института ядерной физики им. Макса Планка (MPIK) вместе с сотрудниками из RIKEN, Япония, исследовали магнитные свойства изотопа гелия-3. Электронный и ядерный g-факторы иона 3 He + впервые были измерены напрямую с относительной точностью 10–10. Электрон-ядерное магнитное взаимодействие (сверхтонкое расщепление в нулевом поле) измерено с улучшенной на два порядка точностью. g-фактор голого ядра 3 He был определен путем точного расчета электронного экранирования. Результаты представляют собой первую прямую калибровку для 3Зонды ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Точное знание магнитных свойств материи на атомно-ядерном уровне имеет большое значение для фундаментальной физики , а также для таких приложений, как зонды ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Заряженные частицы с присущим им угловым моментом (спин) действуют как крошечная магнитная стрелка. Пропорциональность магнитного момента (силы магнитного поля) и спина задается так называемым g-фактором, который является свойством конкретной частицы и ее окружения. Атомный или ядерный угловой момент квантуется: в частности, спин электрона (как и ядра) в 3 Не может быть ориентирован как параллельно, так и антипараллельно внешнему магнитному полю.
Магнитное взаимодействие 3 He носит тройной характер: во внешнем магнитном поле ориентация магнитного момента электрона/ядра может быть параллельна или антипараллельна силовым линиям. Кроме того, существует магнитное взаимодействие между электроном и ядром (так называемое сверхтонкое расщепление). Это приводит к четырем уровням энергии в зависимости от ориентации электронного и ядерного спина. Переходы между ними (соответствующие перевороту спина) могут резонансно индуцироваться микроволновым излучением. Это позволяет с высокой точностью измерять резонансные частоты, из которых можно напрямую вывести g-факторы, а также сверхтонкое расщепление для данного магнитного поля.
Для эксперимента исследователи отдела Клауса Блаума в МПИК совместно с сотрудниками Университета Майнца и RIKEN (Токио, Япония) использовали одноионную ловушку Пеннинга для измерения частот переходов между сверхтонкими состояниями и одновременно магнитное поле посредством точного определения циклотронной частоты захваченного иона.
Антония Шнайдер, первый автор статьи, описывает устройство ловушки: «Она помещена внутри сверхпроводящего магнита 5,7 Тесла и состоит из двух частей: прецизионной ловушки для измерения частот ионов и взаимодействия с микроволновым излучением и аналитическая ловушка для определения сверхтонкого состояния». Для каждого перехода скорость переворота спина достигает максимума в резонансе. Затем из анализа резонансных кривых извлекаются g-факторы и сверхтонкое расщепление в нулевом поле. Новая экспериментальная установка повышает точность g-факторов в 10 раз до уровня 10–10.
«Чтобы извлечь g-фактор голого ядра в 3 He 2+ из измеренного ядерного g-фактора в 3 He + , необходимо принять во внимание диамагнитное экранирование электрона, т. е. его магнитный отклик на внешнее воздействие. поле», — объясняет Бастиан Сикора из отдела Кристофа Х. Кейтеля в MPIK.
Теоретики с высокой точностью определили коэффициент экранирования, используя высокоточные квантово-электродинамические (КЭД) расчеты. В тех же теоретических рамках они также рассчитали g-фактор связанного электрона для 3 He + и сверхтонкое расщепление в нулевом поле. Все теоретические и экспериментальные результаты согласуются в пределах соответствующей точности, которая была улучшена для экспериментального сверхтонкого расщепления в нулевом поле на два порядка. Последний использовался для извлечения ядерного параметра (радиуса Земаха), характеризующего распределение заряда ядра и намагниченности.
В будущем исследователи планируют улучшить измерения за счет уменьшения магнитной неоднородности прецизионной ловушки и более точных измерений магнитного поля. Новый метод измерения можно также применять для определения ядерного магнитного момента других водородоподобных ионов. Следующим шагом является прямое измерение магнитного момента чистого ядра 3 Не в ловушке Пеннинга с относительной точностью порядка 1 миллиардной доли или лучше за счет реализации симпатического лазерного охлаждения.
