En un estudio teórico-experimental conjunto publicado en Nature , físicos del Instituto Heidelberg Max Planck de Física Nuclear (MPIK), junto con colaboradores de RIKEN, Japón, investigaron las propiedades magnéticas del isótopo helio-3. Por primera vez, los factores g electrónicos y nucleares del ³ Él ⁺ Los iones se midieron directamente con una precisión relativa de 10–10. La interacción magnética electrón-núcleo (división hiperfina de campo cero) se midió con una precisión mejorada en dos órdenes de magnitud. El factor g del ³ desnudo El núcleo se determinó mediante un cálculo preciso del blindaje electrónico. Los resultados constituyen la primera calibración directa para ³ Sondas de resonancia magnética nuclear (RMN).

El conocimiento preciso de las propiedades magnéticas de la materia a nivel atómico/nuclear es de gran importancia para la física fundamental, así como para aplicaciones como las sondas de resonancia magnética nuclear (RMN). Las partículas cargadas con un momento angular inherente (espín) actúan como una pequeña aguja magnética. La proporcionalidad del momento magnético (fuerza del campo magnético) y el espín viene dada por el llamado factor g, que es una propiedad de la partícula específica y su entorno. Se cuantifica un momento angular atómico o nuclear:en particular, el espín del electrón (así como el del núcleo) en ³ Puede orientarse en paralelo o antiparalelo a un campo magnético externo.

La interacción magnética de ³ Es triple (Fig. 1):En un campo magnético externo, la orientación del momento magnético del electrón/núcleo puede ser paralela o antiparalela a las líneas de campo. Además, existe la interacción magnética entre el electrón y el núcleo (la llamada división hiperfina). Esto conduce a cuatro niveles de energía en general, según la orientación del espín electrónico y nuclear. Las transiciones entre ellos (correspondientes a un spin-flip) pueden ser inducidas resonantemente por radiación de microondas. Esto permite una medición muy precisa de las frecuencias de resonancia, a partir de la cual se pueden deducir directamente los factores g y la división hiperfina para un campo magnético dado.

Para el experimento, los investigadores de la división de Klaus Blaum en MPIK junto con colaboradores de la Universidad de Mainz y RIKEN (Tokio, Japón) utilizaron una trampa de Penning monoiónica (Fig. 2) para medir las frecuencias de transición entre los estados hiperfinos. y simultáneamente el campo magnético, a través de la determinación precisa de la frecuencia de ciclotrón del ion atrapado.

Antonia Schneider, primera autora del artículo, describe la configuración de la trampa:"Se coloca dentro de un imán superconductor de 5,7 Tesla y consta de dos partes:una trampa de precisión para la medición de las frecuencias de iones y la interacción con la radiación de microondas y una trampa de análisis para determinar el estado hiperfino". Para cada transición, la tasa de rotación de giro alcanza un máximo en resonancia. Los factores g y la división hiperfina de campo cero se extraen del análisis de las curvas de resonancia. La nueva configuración experimental mejora la precisión de los factores g en un factor de 10 al nivel de 10–10.

"Para extraer el factor g del núcleo desnudo en ³ Él ²⁺ del factor g nuclear medido en ³ Él ⁺ , hay que tener en cuenta el blindaje diamagnético del electrón, es decir, su respuesta magnética al campo externo", explica Bastian Sikora de la división de Christoph H. Keitel en MPIK.

Los teóricos determinaron el factor de blindaje con gran precisión utilizando cálculos electrodinámicos cuánticos (QED) de gran precisión. Dentro del mismo marco teórico, también calcularon el factor g del electrón ligado para ³ Él ⁺ y la división hiperfina de campo cero. Todos los resultados teóricos y experimentales son consistentes dentro de la precisión correspondiente, que se ha mejorado para la división hiperfina de campo cero experimental en dos órdenes de magnitud. Este último se utilizó para extraer un parámetro nuclear (radio de Zemach) que caracteriza la carga nuclear y la distribución de la magnetización.

En el futuro, los investigadores planean mejorar las mediciones mediante la reducción de la falta de homogeneidad magnética de la trampa de precisión y mediciones más precisas del campo magnético. El nuevo método de medición también se puede aplicar para determinar el momento magnético nuclear de otros iones similares al hidrógeno. El siguiente paso es una medición directa del momento magnético del ³ desnudo. Él núcleo en una trampa de Penning con una precisión relativa del orden de 1 ppb o mejor mediante la implementación de enfriamiento por láser simpático. + Explora más

Solución al enigma hiperfino al alcance de la mano