Wie magnetisch ist Helium-3?

In einer gemeinsamen experimentell-theoretischen Studie untersuchten Physiker des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) zusammen mit Mitarbeitern des RIKEN in Japan die magnetischen Eigenschaften des Isotops Helium-3. Zum ersten Mal gelang es, die elektronischen und nuklearen g-Faktoren des 3He+-Ions direkt mit einer relativen Genauigkeit von 10-10 zu messen. Mit einer um zwei Größenordnungen verbesserten Genauigkeit wurde die magnetische Wechselwirkung zwischen Elektron und Kern bestimmt. Eine genaue Berechnung der elektronischen Abschirmung ergab den g-Faktor des nackten 3He-Kerns. Die Ergebnisse stellen die erste direkte Kalibrierung für 3He-Kernspinresonanzsonden (NMR) dar.

Die genaue Kenntnis der magnetischen Eigenschaften von Materie auf atomarer und nuklearer Ebene ist sowohl für die Grundlagenphysik als auch für Anwendungen wie Kernspinresonanzsonden (NMR) von großer Bedeutung. Geladene Teilchen mit einem Eigendrehimpuls (Spin) wirken wie eine winzige Magnetnadel. Die Proportionalität zwischen magnetischem Moment (Stärke des Magnetfelds) und Spin ist durch den sogenannten g-Faktor gegeben, der eine Eigenschaft des jeweiligen Teilchens und seiner Umgebung ist. Ein atomarer oder nuklearer Drehimpuls ist quantisiert: Insbesondere kann der Spin des Elektrons (wie auch der des Kerns) in 3He entweder parallel oder antiparallel zu einem äußeren Magnetfeld ausgerichtet sein.

Die magnetische Wechselwirkung von 3He ist dreifach (Abb. 1): In einem äußeren Magnetfeld kann das magnetische Moment des Elektrons/Kerns parallel oder antiparallel zu den Feldlinien ausgerichtet sein. Hinzu kommt die magnetische Wechselwirkung zwischen Elektron und Kern (sogenannte Hyperfeinaufspaltung). Dies führt zu insgesamt vier Energieniveaus, die von der Orientierung des Elektronen- und Kernspins abhängen. Mikrowellenstrahlung kann Übergänge zwischen diesen Niveaus (entsprechend einem Spin-Flip) resonant induzieren. Dies ermöglicht eine hochpräzise Messung der Resonanzfrequenzen, aus der sich die g-Faktoren sowie die Hyperfeinaufspaltung für ein gegebenes Magnetfeld direkt ableiten lassen.

Für das Experiment nutzten die Forscher der Abteilung von Klaus Blaum am MPIK zusammen mit Kollegen von der Universität Mainz und des RIKEN (Tokyo, Japan) eine Einzel-Ionen-Penningfalle (Abb. 2), um über die genaue Bestimmung der Zyklotronfrequenz des gefangenen Ions die Übergangsfrequenzen zwischen den Hyperfeinzuständen und gleichzeitig das Magnetfeld zu messen. Antonia Schneider, Erstautorin des Artikels, beschreibt den Aufbau der Falle: „Sie befindet sich in einem supraleitenden 5,7-Tesla-Magneten und besteht aus zwei Teilen: einer Präzisionsfalle für die Messung der Ionenfrequenzen und der Wechselwirkung mit der Mikrowellenstrahlung und einer Analysefalle zur Bestimmung des Hyperfeinzustandes.“ Für jeden Übergang erreicht die Spin-Flip-Rate bei Resonanz ein Maximum. Die g-Faktoren und die feldfreie Hyperfeinaufspaltung werden dann aus der Analyse der Resonanzkurven extrahiert. Der neue Versuchsaufbau verbessert die Genauigkeit der g-Faktoren um den Faktor 10 auf den Wert 10-10.

„Um aus dem gemessenen Kern-g-Faktor in 3He2+ den g-Faktor des nackten Kerns in 3He+ zu extrahieren, muss man die diamagnetische Abschirmung des Elektrons berücksichtigen, also seine magnetische Reaktion auf das äußere Feld“, erklärt Bastian Sikora aus der Abteilung von Christoph H. Keitel am MPIK. Die Theoretiker bestimmten den Abschirmungsfaktor mit hoher Präzision durch hochgenaue quantenelektrodynamische (QED) Berechnungen. Im gleichen theoretischen Rahmen berechneten sie auch den g-Faktor für gebundene Elektronen für 3He+ und die Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung. Alle theoretischen und experimentellen Ergebnisse stimmen im Rahmen der jeweiligen Genauigkeit überein, die für die experimentelle Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung um zwei Größenordnungen verbessert werden konnte. Aus letzter ließ sich ein Kernparameter (Zemach-Radius) extrahieren, der die Kernladungs- und Magnetisierungsverteilung charakterisiert.

Für die Zukunft planen die Forscher, die Messungen zu verbessern, indem sie die magnetische Inhomogenität der Präzisionsfalle verringern und genauere Magnetfeldmessungen durchführen. Die neue Messmethode ist auch zur Bestimmung des magnetischen Kernmoments anderer wasserstoffähnlicher Ionen geeignet. Ein nächster Schritt ist die direkte Messung des magnetischen Moments des nackten 3He-Kerns in einer Penningfalle mit einer relativen Genauigkeit in der Größenordnung von 1 ppb oder besser mittels sympathischer Laserkühlung.

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Max Planck, RIKEN, PTB Center for Time, Constants, and Fundamental Symmetries durchgeführt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Andreas Mooser
Tel.: +49 6221 516-653
E-Mail: andreas.mooser@mpi-hd.mpg.de
PD Dr. Zoltán Harman
Tel.: +49 6221 516-170
E-Mail: harman@mpi-hd.mpg.de

Originalpublikation:

Direct measurement of the 3He+ magnetic moments
A. Schneider, B. Sikora, S. Dickopf, M. Müller, N. S. Oreshkina, A. Rischka, I. A. Valuev, S. Ulmer, J. Walz, Z. Harman, C. H. Keitel, A. Mooser and K. Blaum
Nature, 08.06.2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04761-7 https://www.nature.com/articles/s41586-022-04761-7

http://www.mpi-hd.mpg.de