El año pasado, Los físicos de TU Darmstadt ponen en duda nuestra comprensión actual de la interacción entre los electrones y los núcleos atómicos, y ahora están subiendo la apuesta al proponer una solución a este llamado "rompecabezas hiperfino". Nuevas mediciones de las propiedades magnéticas de los núcleos atómicos de bismuto se publican ahora en un artículo en Cartas de revisión física .

El espectro óptico de cualquier átomo dado es el resultado de la interacción entre la luz y los electrones dentro de la capa atómica. Las mediciones ultraprecisas pueden incluso revelar los efectos de la estructura interna del núcleo atómico, que se conocen como la "estructura hiperfina". Al medir la estructura hiperfina de iones altamente cargados con pocos electrones restantes, Los investigadores de TU Darmstadt encontraron una discrepancia entre las escisiones teóricamente predichas y determinadas experimentalmente:estas discrepancias observadas empíricamente se denominaron el "rompecabezas hiperfino, "y planteó la cuestión de si la interacción entre los pocos electrones unidos al núcleo atómico y el núcleo mismo, bajo la influencia de los campos magnéticos enormemente fuertes predominantes, se entiende completamente. El siguiente paso para resolver el rompecabezas fue volver a determinar la fuerza del campo magnético dentro del núcleo atómico:las predicciones teóricas dependen en gran medida de este parámetro, que debe determinarse experimentalmente.

Físicos de los grupos de trabajo del profesor Wilfried Nörtershäuser y el profesor Michael Vogel del Instituto de Física Nuclear y del Instituto de Física de la Materia Condensada, respectivamente, en la TU Darmstadt colaboramos para volver a medir la fuerza del campo magnético, el llamado momento magnético, utilizando espectroscopía de resonancia magnética nuclear, que se utiliza en medicina donde se conoce como resonancia magnética. Se basa en el principio de que los núcleos atómicos tienen un campo magnético, si ellos, como el isótopo de bismuto bajo investigación, tener un giro nuclear. Los polos norte y sur están orientados a lo largo del eje de giro y se alinearán con el eje del campo magnético de un campo magnético externo. La orientación de los imanes nucleares se puede invertir irradiando los átomos bajo investigación con ondas de radio de una frecuencia adecuada, y este efecto se puede observar. La frecuencia de las ondas de radio en las que los polos cambian de dirección depende del momento magnético. Medir la frecuencia permite deducir el valor del momento magnético.

La medición del momento magnético se ve afectada.

Lograr esto, los investigadores introdujeron una solución acuosa enriquecida con iones de bismuto en un imán superconductor y lo irradiaron con radiofrecuencias a través de una pequeña bobina hasta que registraron una inversión de polaridad en los iones de bismuto.

El desafío de hacer esto es que el entorno de los iones, es decir., los átomos a los que está unido, así como el fluido en el que se disuelve, cambia el campo magnético externo en las proximidades del núcleo atómico, cuales, Sucesivamente, afecta la medición precisa del momento magnético. Este efecto disruptivo debe restarse del cálculo, con este fin, un grupo de físicos teóricos de la Universidad de San Petersburgo y del Instituto Helmholtz de Jena llevaron a cabo cálculos teóricos cuánticos altamente especializados. Se hizo evidente que el efecto era mucho mayor de lo esperado anteriormente cuando se usaban soluciones de nitrato de bismuto, lo que significa que las medidas tomadas con la ayuda de soluciones de nitrato de bismuto son evidentemente inadecuadas.

Los investigadores finalmente lograron un gran avance mediante el uso de un complejo compuesto organometálico, que libera iones hexafluoridobismuthate (V) en solución orgánica. Los científicos de Darmstadt recibieron el apoyo de un grupo de investigación especializado en química del flúor en la Universidad de Marburg. quien produjo una muestra de la sustancia requerida. Por lo tanto, fue posible medir curvas de resonancia mucho más estrechas y hacer declaraciones más precisas sobre el momento magnético del núcleo. Es más, desde la perspectiva de la teoría cuántica, Se pueden realizar cálculos mucho más precisos para este sistema de lo que antes había sido posible para el nitrato de bismuto.

Los investigadores utilizaron el valor recién calculado para el momento magnético del isótopo de bismuto estable e hicieron una predicción teórica de la división de la estructura hiperfina dentro de los iones altamente cargados. Los valores obtenidos, están muy de acuerdo con los resultados de las mediciones espectroscópicas láser informadas anteriormente. "Sería demasiado pronto para afirmar que esto representa la solución completa al rompecabezas hiperfino, "El profesor Wilfried Nörtershäuser del Instituto de Física Nuclear de TU Darmstadt explica:pasando a decir; "sin embargo, es sin duda una parte importante de la solución. Aún se necesitan más experimentos para lograr una claridad completa sobre la interacción entre el núcleo atómico y la capa y, por lo tanto, para verificar las predicciones teóricas de la naturaleza de la mecánica cuántica en campos muy fuertes ". Para comprender mejor la compleja influencia de la capa de electrones en las mediciones de momentos magnéticos nucleares, Los científicos de TU Darmstadt ahora quieren realizar mediciones de momentos magnéticos nucleares en núcleos atómicos con un solo electrón ligado o sin capa de electrones. Según Nörtershäuser, tales experimentos se preparan en el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados ​​en Darmstadt, en el que participan también otros grupos de trabajo de TU Darmstadt.