Прецизионная спектроскопия ⁹Be преодолевает ограничения, связанные со структурой ядра
Электронная оболочка атомов действует как "электромагнитный щит", предотвращая прямой доступ к ядру и его свойствам. Группа учёных преуспела в точном измерении эффекта этого экранирования в атомах бериллия. Исследование опубликовано в журнале Nature. Магнитный момент бериллия-9 был определен с точностью в 40 раз лучше, чем раньше. Такие точные измерения не только важны для фундаментальной физики, они также помогают нам получить представление об определенных приложениях ядерного магнитного резонанса, которые применяются в химии и для высокоточных измерений магнитных полей.
Ионная ловушка Пеннинга, используемая для определения ядерных магнитных свойств ⁹Be. Кредит: MPIK
Электронная оболочка атомов действует как «электромагнитный щит», предотвращая прямой доступ к ядру и его свойствам. Группа Клауса Блаума, директора Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге, теперь преуспела в точном измерении эффекта этого экранирования в атомах бериллия. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Магнитный момент бериллия-9 был определен с точностью в 40 раз лучше, чем раньше. Такие точные измерения не только важны для фундаментальной физики, они также помогают нам получить представление об определенных приложениях ядерного магнитного резонанса, которые применяются в химии и для высокоточных измерений магнитных полей.
«Shields up!»: Эта команда знакома поклонникам «Star Trek». Нечто похожее известно исследователям естественных наук — электромагнитная оболочка служит защитным экраном, который обычно затрудняет доступ к ядру. Это имеет последствия в химии, например, где химические свойства исследуются методом ядерного магнитного резонанса.
Этот метод похож на магнитно-резонансную томографию. Однако вместо того, чтобы создавать изображения живого тела, он обеспечивает высокоточный химический отпечаток изучаемого материала. Оба метода используют сильные магнитные поля и основаны на том факте, что некоторые ядра являются маленькими магнитами — как крошечные стрелки компаса.
В сильном магнитном поле они могут начать вращаться по кругу. Как в эксперименте в классе с индукционной катушкой, через которую движется магнит, это движение атома взаимодействует с окружающей электронной оболочкой. Поскольку электроны образуют химические связи, сигнал прецессирующих атомных ядер дает очень точную информацию об их химическом окружении.
Задача трех тел
Теперь можно подумать, что в современной физике магнитный момент ядра и экранирующий эффект электронной оболочки можно точно рассчитать. Однако это не так, подтверждает Золтан Харман, отвечающий за такие теоретические расчеты в институте в Гейдельберге. Причина — как это часто бывает — заключается в фундаментальной проблеме, заключающейся в том, что расчеты для систем, состоящих из более чем двух тел, не могут быть выполнены точно.
Это относится к планетарным орбитам в звездных системах, а также к атомам, электроны которых могут находиться только на определенных квантованных энергетических орбиталях вокруг ядра. Кроме того, само атомное ядро не может быть рассчитано точно. Даже простейшее ядро, один протон в водороде, состоит из трех кварков, которые взаимодействуют друг с другом сложным образом.
«Теоретики могут вычислить такой ядерный момент только с погрешностью около одной на тысячу», — говорит Стефан Дикопф. Для приложений в ядерном магнитном резонансе и фундаментальной физике важны высокоточные эксперименты, позволяющие измерить такие свойства гораздо точнее, чем это могут сделать расчеты.
Команда Клауса Блаума разработала метод с производительностью мирового класса, используя так называемые ловушки Пеннинга. Он позволяет очень точно измерять магнитные свойства атомного ядра. Штефан Дикопф, ведущий докторант в команде, возглавляемой Андреасом Мусером, теперь провел такие измерения на изотопе бериллий-9.
Почему бериллий-9 так интересен
Но почему именно бериллий, элемент номер четыре в периодической таблице? На это есть несколько причин, объясняет Дикопф, одна из которых: «У него маленькое атомное ядро, поэтому некоторые поправки, которые требуются для более крупных атомных ядер, не нужны». Но, прежде всего, он близок к элементу номер два, гелию. Это играет важную роль в отношении приложений в ядерном магнитном резонансе.
Если вы хотите провести там точные измерения, то сначала нужно точно измерить магнитное поле внутри аппарата. Эта точность играет решающую роль в последующем анализе.
Подходящим «зондом» для этих измерений магнитного поля является изотоп гелия гелий-3. Команда Блаума уже смогла очень точно измерить его магнитный момент в ловушке Пеннинга, о чем Nature опубликовала в 2022 году. Однако им пришлось удалить электрон из гелия-3.
Это связано с тем, что ловушка Пеннинга может работать только с электрически заряженным ионом, который удерживается в течение месяцев с помощью комбинации сложного электрического поля и сильного магнитного поля. Методы ядерного магнитного резонанса, с другой стороны, работают с нейтральным гелием-3 в качестве зонда, что создает проблему. Дикопф говорит: «Экранирование двумя электронами не очень хорошо изучено».
Это побудило команду Гейдельберга провести аналогичное измерение с бериллием-9. Для этого команда удалила из него три электрона, оставив только один электрон. Перекрестное сравнение с уже установленными измерениями ядерного магнитного момента на бериллии, из которого было удалено меньше электронов, предоставило ключевые данные о точном эффекте экранирования электронов. Это, в свою очередь, позволяет сделать выводы об экранировании в нейтральном гелии-3.
Ион бериллия-9 с единственным «остаточным электроном» также оказался в центре внимания, поскольку это «водородподобная» система, объясняют Дикопф и Харман. Поскольку атомное ядро мало, его можно считать хорошим приближением как единое целое, по сути, как крошечную стрелку компаса. Вместе с единственным оставшимся электроном он почти образует теоретически точно вычисляемую двухчастичную систему.
По словам Хамана, электрон теперь можно использовать в качестве антенны для измерения магнитного момента ядра бериллия-9. «Это примерно на 26 порядков величины, т. е. одна стомиллионная миллиардной миллиардной, слабее, чем стрелка компаса», — говорит Дикопф, описывая задачу.
Второе по точности измерение ядерного магнитного момента
Как и все точные измерения, измерение в ловушке Пеннинга основано на том факте, что повторяющееся движение может быть точно подсчитано — так же, как часы подсчитывают колебания маятника посредством своего движения. Ион вращается по круговой орбите в сильном магнитном поле ловушки, и эта «циклотронная частота» позволяет счетной электронике очень точно измерять магнитное поле самой ловушки. Это необходимо для точного измерения магнитного момента.
Теперь ориентация ядерного момента должна быть измерена как крошечная стрелка компаса в магнитном поле. Решающим фактором здесь является то, как энергия ядерного момента изменяется в магнитном поле между двумя различными ориентациями, разрешенными квантовой физикой. Эта информация предоставляется другими частотами, которые встречаются в этом методе измерения. Однако этот сигнал чрезвычайно слаб. Электрон как маленькая антенна вблизи ядра усиливает его и, таким образом, делает эти измерения частоты возможными в первую очередь.
«Таким образом, нам удалось выполнить второе по точности измерение, после протона, ядерного магнитного момента с бериллием-9», — говорит Дикопф. Эксперимент также предоставил первые точные данные об экранирующем эффекте нескольких электронов, которые теперь можно перенести на гелий-3. Это поможет сделать некоторые приложения ядерного резонанса еще более точными.
Таким образом, результаты Гейдельберга представляют собой двойную выгоду: как для фундаментальной физики, так и для приложений в области точного измерения магнитных полей.
