Ano passado, físicos da TU Darmstadt lançam dúvidas sobre nosso entendimento atual da interação entre elétrons e núcleos atômicos, e agora estão aumentando a aposta ao propor uma solução para o chamado "quebra-cabeça hiperfino". Novas medições das propriedades magnéticas dos núcleos atômicos de bismuto são agora publicadas em um artigo em Cartas de revisão física .

O espectro óptico de qualquer átomo é o resultado da interação entre a luz e os elétrons dentro da camada atômica. Medições ultraprecisas podem até revelar os efeitos da estrutura interna do núcleo atômico, que são referidos como a "estrutura hiperfina". Ao medir a estrutura hiperfina de íons altamente carregados com poucos elétrons restantes, pesquisadores da TU Darmstadt encontraram uma discrepância entre as divisões teoricamente preditas e determinadas experimentalmente:essas discrepâncias empiricamente observadas foram referidas como o "quebra-cabeça hiperfino, "e levantou a questão de saber se a interação entre os poucos elétrons ligados ao núcleo atômico e o próprio núcleo, sob a influência dos campos magnéticos enormemente fortes prevalecentes, é totalmente compreendido. O próximo passo para resolver o quebra-cabeça foi redeterminar a força do campo magnético dentro do núcleo atômico:as previsões teóricas são fortemente dependentes deste parâmetro, que deve ser determinado experimentalmente.

Físicos dos grupos de trabalho do Prof. Wilfried Nörtershäuser e do Prof. Michael Vogel do Institute for Nuclear Physics e do Institute for Condensed Matter Physics, respectivamente, na TU Darmstadt estavam colaborando para medir novamente a força do campo magnético - o chamado momento magnético - usando espectroscopia de ressonância magnética nuclear, que é usado na medicina, onde é referido como MRI. É baseado no princípio de que os núcleos atômicos têm um campo magnético, se eles, como o isótopo de bismuto sob investigação, tem um spin nuclear. Os pólos norte e sul são orientados ao longo do eixo de rotação e se alinharão com o eixo do campo magnético de um campo magnético externo. A orientação dos ímãs nucleares pode ser revertida irradiando os átomos sob investigação com ondas de rádio de uma frequência apropriada, e esse efeito pode ser observado. A frequência das ondas de rádio em que os pólos mudam de direção depende do momento magnético. Medir a frequência permite deduzir o valor do momento magnético.

A medição do momento magnético é afetada

Para alcançar isto, os pesquisadores introduziram uma solução aquosa enriquecida com íons de bismuto em um ímã supercondutor e o irradiaram com radiofrequências por meio de uma pequena bobina até que registraram uma inversão de polaridade nos íons de bismuto.

O desafio de fazer isso é que o ambiente dos íons, ou seja, os átomos aos quais está ligado, bem como o fluido no qual está dissolvido, muda o campo magnético externo na vizinhança do núcleo atômico, que, por sua vez, afeta a medição precisa do momento magnético. Este efeito perturbador deve ser subtraído do cálculo, para esse fim, cálculos teóricos quânticos altamente especializados foram realizados por um grupo de físicos teóricos da Universidade de São Petersburgo e do Instituto Helmholtz de Jena. Tornou-se aparente que o efeito foi muito maior do que o esperado anteriormente ao usar soluções de nitrato de bismuto, o que significa que as medições feitas com o auxílio de soluções de nitrato de bismuto são evidentemente inadequadas.

Os pesquisadores finalmente conseguiram um avanço usando um composto organometálico complexo, que libera íons hexafluoridobismutato (V) em solução orgânica. Os cientistas de Darmstadt receberam apoio de um grupo de pesquisa especializado em química do flúor na Universidade de Marburg, quem produziu uma amostra da substância necessária. Assim, era possível medir curvas de ressonância muito mais estreitas e fazer afirmações mais precisas sobre o momento magnético do núcleo. Além disso, da perspectiva teórica quântica, cálculos muito mais precisos podem ser realizados para este sistema do que anteriormente era possível para o nitrato de bismuto.

Os pesquisadores usaram o valor recém-calculado para o momento magnético do isótopo de bismuto estável e fizeram uma previsão teórica da divisão da estrutura hiperfina dentro dos íons altamente carregados. Os valores obtidos, estão em muito boa concordância com os resultados das medições espectroscópicas a laser relatadas anteriormente. "Seria muito cedo para afirmar que isso representa a solução completa para o quebra-cabeça hiperfino, "O Prof. Wilfried Nörtershäuser do Instituto de Física Nuclear da TU Darmstadt explica, passando a dizer; "no entanto, é com certeza uma parte significativa da solução. Mais experimentos ainda são necessários para alcançar a clareza completa sobre a interação entre o núcleo atômico e a casca e, Portanto, para verificar as previsões teóricas da natureza da mecânica quântica em campos muito fortes. "Para entender melhor a influência complexa da camada de elétrons nas medições de momentos magnéticos nucleares, Os cientistas da TU Darmstadt agora querem realizar medições de momentos magnéticos nucleares em núcleos atômicos com apenas um único elétron ligado ou sem nenhuma camada de elétron. De acordo com Nörtershäuser, tais experimentos são preparados no Centro GSI Helmholtz para Pesquisa de Íons Pesados ​​em Darmstadt envolvendo também outros grupos de trabalho da TU Darmstadt.