Dans une étude conjointe expérimentale-théorique publiée dans La nature, des physiciens du Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK), en collaboration avec des collaborateurs du RIKEN, au Japon, ont étudié les propriétés magnétiques de l’isotope hélium-3. Pour la première fois, les facteurs g électronique et nucléaire de l’ion 3He+ ont été mesurés directement avec une précision relative de 10–10. L’interaction magnétique électron-noyau (clivage hyperfin à champ nul) a été mesurée avec une précision améliorée de deux ordres de grandeur. Le facteur g du noyau 3He nu a été déterminé via un calcul précis du blindage électronique. Les résultats constituent le premier étalonnage direct pour les sondes de résonance magnétique nucléaire (RMN) 3He.
La connaissance précise des propriétés magnétiques de la matière au niveau atomique/nucléaire est d’une grande importance pour la physique fondamentale ainsi que pour des applications telles que les sondes de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Les particules chargées avec un moment cinétique inhérent (spin) agissent comme une minuscule aiguille magnétique. La proportionnalité du moment magnétique (force du champ magnétique) et du spin est donnée par ce que l’on appelle le facteur g, qui est une propriété de la particule spécifique et de son environnement. Un moment cinétique atomique ou nucléaire est quantifié : en particulier, le spin de l’électron (ainsi que celui du noyau) dans 3He peut être orienté parallèlement ou antiparallèlement à un champ magnétique extérieur.
L’interaction magnétique de 3He est triple (Fig. 1) : Dans un champ magnétique externe, l’orientation du moment magnétique de l’électron/noyau peut être parallèle ou antiparallèle aux lignes de champ. De plus, il y a l’interaction magnétique entre l’électron et le noyau (appelée division hyperfine). Cela conduit à quatre niveaux d’énergie globaux en fonction de l’orientation du spin électronique et nucléaire. Des transitions entre eux (correspondant à un spin-flip) peuvent être induites en résonance par le rayonnement micro-onde. Cela permet une mesure très précise des fréquences de résonance, à partir de laquelle les facteurs g ainsi que le dédoublement hyperfin pour un champ magnétique donné peuvent être directement déduits.
Pour l’expérience, les chercheurs de la division de Klaus Blaum au MPIK avec des collaborateurs de l’Université de Mayence et du RIKEN (Tokyo, Japon) ont utilisé un piège Penning à ion unique (Fig. 2) pour mesurer les fréquences de transition entre les états hyperfins. et simultanément le champ magnétique, via la détermination précise de la fréquence cyclotron de l’ion piégé.
Antonia Schneider, première auteure de l’article, décrit la configuration du piège : « Il est placé à l’intérieur d’un aimant supraconducteur de 5,7 Tesla et se compose de deux parties : un piège de précision pour la mesure des fréquences ioniques et de l’interaction avec le rayonnement micro-onde et un piège d’analyse pour déterminer l’état hyperfin. » Pour chaque transition, le taux de spin-flip atteint un maximum à la résonance. Les facteurs g et le dédoublement hyperfin à champ nul sont ensuite extraits de l’analyse des courbes de résonance. La nouvelle configuration expérimentale améliore la précision des facteurs g d’un facteur 10 au niveau de 10–10.
« Afin d’extraire le facteur g du noyau nu dans 3He2+ du facteur g nucléaire mesuré dans 3He+, il faut prendre en compte le blindage diamagnétique de l’électron, c’est-à-dire sa réponse magnétique au champ extérieur », explique Bastian Sikora de la division de Christoph H. Keitel chez MPIK.
Les théoriciens ont déterminé le facteur de blindage avec une grande précision à l’aide de calculs d’électrodynamique quantique (QED) très précis. Dans le même cadre théorique, ils ont également calculé le facteur g des électrons liés pour 3He+ et la séparation hyperfine à champ nul. Tous les résultats théoriques et expérimentaux sont cohérents dans la précision correspondante, qui a été améliorée pour la division expérimentale hyperfine à champ nul de deux ordres de grandeur. Ce dernier a été utilisé pour extraire un paramètre nucléaire (rayon de Zemach) caractérisant la charge nucléaire et la distribution de l’aimantation.
À l’avenir, les chercheurs prévoient d’améliorer les mesures en réduisant l’inhomogénéité magnétique du piège de précision et en mesurant plus précisément le champ magnétique. La nouvelle méthode de mesure peut également être appliquée pour déterminer le moment magnétique nucléaire d’autres ions de type hydrogène. Une prochaine étape est une mesure directe du moment magnétique du noyau 3He nu dans un piège de Penning avec une précision relative de l’ordre de 1 ppb ou mieux en mettant en œuvre un refroidissement laser sympathique.
A. Schneider et al, Mesure directe des moments magnétiques 3He+, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04761-7