Em um estudo teórico-experimental conjunto publicado na Nature , físicos do Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg (MPIK), juntamente com colaboradores do RIKEN, no Japão, investigaram as propriedades magnéticas do isótopo hélio-3. Pela primeira vez, os fatores g eletrônicos e nucleares do ³ Ele ⁺ íons foram medidos diretamente com uma precisão relativa de 10-10. A interação magnética elétron-núcleo (divisão hiperfina de campo zero) foi medida com uma precisão melhorada em duas ordens de magnitude. O fator g do ³ simples O núcleo foi determinado através de um cálculo preciso da blindagem eletrônica. Os resultados constituem a primeira calibração direta para ³ Ele sondas de ressonância magnética nuclear (RMN).
O conhecimento preciso das propriedades magnéticas da matéria em nível atômico/nuclear é de grande importância para a física fundamental, bem como para aplicações como sondas de Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Partículas carregadas com um momento angular inerente (spin) agem como uma pequena agulha magnética. A proporcionalidade do momento magnético (força do campo magnético) e do spin é dada pelo chamado fator g, que é uma propriedade da partícula específica e seu ambiente. Um momento angular atômico ou nuclear é quantizado:em particular, o spin do elétron (assim como do núcleo) em ³ Ele pode ser orientado paralelo ou antiparalelo a um campo magnético externo.

A interação magnética de ³ Ele é triplo (Fig. 1):Em um campo magnético externo, a orientação do momento magnético do elétron/núcleo pode ser paralela ou antiparalela às linhas de campo. Além disso, há a interação magnética entre o elétron e o núcleo (a chamada divisão hiperfina). Isso leva a quatro níveis gerais de energia, dependendo da orientação eletrônica e do spin nuclear. As transições entre eles (correspondentes a um spin-flip) podem ser induzidas de forma ressonante pela radiação de micro-ondas. Isso permite uma medição altamente precisa das frequências de ressonância, das quais os fatores g, bem como a divisão hiperfina para um determinado campo magnético, podem ser deduzidos diretamente.

Para o experimento, os pesquisadores da divisão de Klaus Blaum no MPIK juntamente com colaboradores da Universidade de Mainz e RIKEN (Tóquio, Japão) usaram uma armadilha de Penning de íon único (Fig. 2) para medir as frequências de transição entre os estados hiperfinos e simultaneamente o campo magnético, através da determinação precisa da frequência do cíclotron do íon aprisionado.

Antonia Schneider, primeira autora do artigo, descreve a configuração da armadilha:"Ela é colocada dentro de um ímã supercondutor de 5,7 Tesla e consiste em duas partes:uma armadilha de precisão para a medição das frequências de íons e a interação com a radiação de micro-ondas e uma armadilha de análise para determinar o estado hiperfino." Para cada transição, a taxa de spin-flip atinge um máximo na ressonância. Os fatores g e a divisão hiperfina de campo zero são então extraídos da análise das curvas de ressonância. A nova configuração experimental melhora a precisão dos fatores g por um fator de 10 para o nível de 10-10.

"Para extrair o fator g do núcleo nu em ³ Ele ²⁺ do fator g nuclear medido em ³ Ele ⁺ , é preciso levar em conta a blindagem diamagnética do elétron, ou seja, sua resposta magnética ao campo externo", explica Bastian Sikora, da divisão de Christoph H. Keitel no MPIK.

Os teóricos determinaram o fator de blindagem com alta precisão usando cálculos eletrodinâmicos quânticos (QED) altamente precisos. Dentro da mesma estrutura teórica, eles também calcularam o fator g do elétron ligado para ³ Ele ⁺ e a divisão hiperfina de campo zero. Todos os resultados teóricos e experimentais são consistentes dentro da precisão correspondente, que foi aprimorada para a divisão hiperfina experimental de campo zero em duas ordens de magnitude. Este último foi utilizado para extrair um parâmetro nuclear (raio de Zemach) caracterizando a carga nuclear e a distribuição de magnetização.

No futuro, os pesquisadores planejam melhorar as medições, reduzindo a heterogeneidade magnética da armadilha de precisão e medições de campo magnético mais precisas. O novo método de medição também pode ser aplicado para determinar o momento magnético nuclear de outros íons semelhantes ao hidrogênio. A próxima etapa é uma medição direta do momento magnético do ³ nu Ele núcleo em uma armadilha de Penning com uma precisão relativa da ordem de 1 ppb ou melhor, implementando o resfriamento a laser simpático. + Explorar mais

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