In einer gemeinsamen experimentell-theoretischen Studie, veröffentlicht in Naturhaben Physiker am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) zusammen mit Mitarbeitern von RIKEN, Japan, die magnetischen Eigenschaften des Isotops Helium-3 untersucht. Erstmals wurden die elektronischen und nuklearen g-Faktoren des 3He+-Ions direkt mit einer relativen Genauigkeit von 10–10 gemessen. Die magnetische Wechselwirkung zwischen Elektron und Kern (Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung) wurde mit einer um zwei Größenordnungen verbesserten Genauigkeit gemessen. Der g-Faktor des nackten 3He-Kerns wurde über eine genaue Berechnung der elektronischen Abschirmung bestimmt. Die Ergebnisse bilden die erste direkte Kalibrierung für kernmagnetische Resonanzsonden (NMR) von 3He.
Die genaue Kenntnis der magnetischen Eigenschaften von Materie auf atomarer/nuklearer Ebene ist von großer Bedeutung für die Grundlagenphysik sowie für Anwendungen wie Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Sonden. Geladene Teilchen mit Eigendrehimpuls (Spin) wirken wie eine winzige Magnetnadel. Die Proportionalität von magnetischem Moment (Stärke des Magnetfeldes) und Spin ist durch den sogenannten g-Faktor gegeben, der eine Eigenschaft des jeweiligen Teilchens und seiner Umgebung ist. Ein Atom- oder Kerndrehimpuls wird quantisiert: Insbesondere kann der Spin des Elektrons (wie auch des Kerns) in 3He entweder parallel oder antiparallel zu einem äußeren Magnetfeld orientiert sein.
Die magnetische Wechselwirkung von 3He ist dreifach (Abb. 1): In einem äußeren Magnetfeld kann die Ausrichtung des magnetischen Moments des Elektrons/Kerns parallel oder antiparallel zu den Feldlinien sein. Hinzu kommt die magnetische Wechselwirkung zwischen Elektron und Kern (sog. Hyperfeinaufspaltung). Dies führt zu insgesamt vier Energieniveaus in Abhängigkeit von der Elektronen- und Kernspinorientierung. Übergänge zwischen ihnen (entsprechend einem Spin-Flip) können durch Mikrowellenstrahlung resonant induziert werden. Dies ermöglicht eine hochpräzise Messung der Resonanzfrequenzen, aus denen sich direkt die g-Faktoren sowie die Hyperfeinaufspaltung für ein gegebenes Magnetfeld ableiten lassen.
Für das Experiment verwendeten die Forscher der Abteilung von Klaus Blaum am MPIK zusammen mit Mitarbeitern der Universität Mainz und RIKEN (Tokio, Japan) eine Einzelionen-Penning-Falle (Abb. 2), um die Übergangsfrequenzen zwischen den Hyperfeinzuständen zu messen und gleichzeitig das Magnetfeld über die genaue Bestimmung der Zyklotronfrequenz des eingefangenen Ions.
Antonia Schneider, Erstautorin des Artikels, beschreibt den Aufbau der Falle: „Sie befindet sich in einem 5,7 Tesla starken supraleitenden Magneten und besteht aus zwei Teilen: einer Präzisionsfalle zur Messung der Ionenfrequenzen und der Wechselwirkung mit der Mikrowellenstrahlung und eine Analysefalle zur Bestimmung des Hyperfeinzustands.“ Bei jedem Übergang erreicht die Spin-Flip-Rate bei Resonanz ein Maximum. Aus der Analyse der Resonanzkurven werden dann die g-Faktoren und die Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung extrahiert. Der neue Versuchsaufbau verbessert die Genauigkeit der g-Faktoren um den Faktor 10 auf das Niveau 10–10.
„Um den g-Faktor des nackten Kerns in 3He2+ aus dem gemessenen Kern-g-Faktor in 3He+ zu extrahieren, muss man die diamagnetische Abschirmung des Elektrons berücksichtigen, also seine magnetische Antwort auf das äußere Feld“, erklärt Bastian Sikora aus der Abteilung von Christoph H. Keitel am MPIK.
Den Abschirmfaktor bestimmten die Theoretiker hochpräzise mit hochgenauen quantenelektrodynamischen (QED) Berechnungen. Innerhalb desselben theoretischen Rahmens berechneten sie auch den g-Faktor des gebundenen Elektrons für 3He+ und die Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung. Alle theoretischen und experimentellen Ergebnisse stimmen innerhalb der entsprechenden Genauigkeit überein, die für die experimentelle Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung um zwei Größenordnungen verbessert wurde. Letzteres wurde verwendet, um einen Kernparameter (Zemach-Radius) zu extrahieren, der die Kernladung und Magnetisierungsverteilung charakterisiert.
In Zukunft wollen die Forscher die Messungen verbessern, indem sie die magnetische Inhomogenität der Präzisionsfalle reduzieren und genauere Magnetfeldmessungen durchführen. Das neue Messverfahren lässt sich auch anwenden, um das kernmagnetische Moment anderer wasserstoffähnlicher Ionen zu bestimmen. Ein nächster Schritt ist eine direkte Messung des magnetischen Moments des nackten 3He-Kerns in einer Penning-Falle mit einer relativen Genauigkeit in der Größenordnung von 1 ppb oder besser durch Implementierung einer sympathetischen Laserkühlung.
A. Schneider et al, Direkte Messung der magnetischen 3He+-Momente, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04761-7