Wie magnetisch ist Helium-3?

In einer gemeinsamen experimentell-theoretischen Studie haben Wissen­schaftler des MPI für Kernphysik zusammen mit Mitarbeitern des RIKEN in Japan die magnetischen Eigen­schaften des Isotops Helium-3 untersucht. 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 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 von großer Bedeutung. Geladene Teilchen mit Spin wirken wie eine winzige Magnetnadel. Die Propor­tio­nalität zwischen magnetischem Moment und Spin ist durch den 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: In einem äußeren Magnetfeld kann das magnetische Moment des Elektrons oder des Kerns parallel oder anti­parallel zu den Feldlinien ausgerichtet sein. Hinzu kommt die magnetische Wechsel­wirkung zwischen Elektron und Kern. Das 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. Das 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 eine Einzel-Ionen-Penningfalle, um über die genaue Bestimmung der Zyklotron­frequenz des gefangenen Ions die Übergangs­frequenzen zwischen den Hyperfein­zuständen und gleichzeitig das Magnetfeld zu messen. Die Falle 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 Hyperfein­zustands. 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.

„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 vom MPIK. Die Theoretiker bestimmten den Abschirmungs­faktor mit hoher Präzision durch hochgenaue quanten­elektro­dynamische 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, der 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.

MPIK / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Schneider et al.: Direct measurement of the 3He+ magnetic moments, Nature, online 8. Juli 2022; DOI: 10.1038/s41586-022-04761-7
• Gespeicherte und gekühlte Ionen, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg