L'année dernière, les physiciens de la TU Darmstadt ont mis en doute notre compréhension actuelle de l'interaction entre les électrons et les noyaux atomiques, et placent maintenant la barre plus haut en proposant une solution à ce soi-disant « casse-tête hyperfin ». De nouvelles mesures des propriétés magnétiques des noyaux atomiques de bismuth sont maintenant publiées dans un article de Lettres d'examen physique .

Le spectre optique d'un atome donné est le résultat de l'interaction entre la lumière et les électrons à l'intérieur de la couche atomique. Des mesures ultra-précises peuvent même révéler les effets de la structure interne du noyau atomique, que l'on appelle la "structure hyperfine". Lors de la mesure de la structure hyperfine d'ions hautement chargés avec peu d'électrons restants, les chercheurs de la TU Darmstadt ont découvert un écart entre les séparations théoriquement prédites et déterminées expérimentalement :ces écarts observés empiriquement étaient appelés « puzzle hyperfin, " et a soulevé la question de savoir si l'interaction entre les quelques électrons liés au noyau atomique et le noyau lui-même, sous l'influence des champs magnétiques extrêmement puissants, est parfaitement compris. La prochaine étape vers la résolution de l'énigme était de re-déterminer la force du champ magnétique dans le noyau atomique :les prédictions théoriques dépendent fortement de ce paramètre, qui doit être déterminé expérimentalement.

Physiciens des groupes de travail du Prof. Wilfried Nörtershäuser et du Prof. Michael Vogel de l'Institut de physique nucléaire et de l'Institut de physique de la matière condensée, respectivement, à la TU Darmstadt collaboraient pour remesurer la force du champ magnétique - le soi-disant moment magnétique - en utilisant la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, qui est utilisé en médecine où il est appelé IRM. Il est basé sur le principe que les noyaux atomiques ont un champ magnétique, si ils, comme l'isotope du bismuth à l'étude, avoir un spin nucléaire. Les pôles nord et sud sont orientés le long de l'axe de rotation et s'aligneront avec l'axe du champ magnétique d'un champ magnétique externe. L'orientation des aimants nucléaires peut être inversée en irradiant les atomes étudiés avec des ondes radio d'une fréquence appropriée, et cet effet peut être observé. La fréquence des ondes radio à laquelle les pôles changent de direction dépend du moment magnétique. La mesure de la fréquence permet de déduire la valeur du moment magnétique.

La mesure du moment magnétique est affectée

Pour y parvenir, les chercheurs ont introduit une solution aqueuse enrichie en ions bismuth dans un aimant supraconducteur et l'ont irradiée avec des radiofréquences via une petite bobine jusqu'à ce qu'ils enregistrent une inversion de polarité dans les ions bismuth.

Le défi, c'est que l'environnement des ions, c'est à dire., les atomes auxquels il est lié ainsi que le fluide dans lequel il est dissous, modifie le champ magnétique externe au voisinage du noyau atomique, lequel, à son tour, affecte la mesure précise du moment magnétique. Cet effet perturbateur doit être soustrait du calcul, à cette fin, des calculs théoriques quantiques hautement spécialisés ont été effectués par un groupe de physiciens théoriciens de l'Université de Saint-Pétersbourg et de l'Institut Helmholtz d'Iéna. Il est devenu évident que l'effet était beaucoup plus important que prévu lors de l'utilisation de solutions de nitrate de bismuth, ce qui signifie que les mesures prises à l'aide de solutions de nitrate de bismuth sont évidemment insuffisantes.

Les chercheurs ont finalement réalisé une percée en utilisant un composé organométallique complexe, qui libère des ions hexafluoridobismutate(V) en solution organique. Les scientifiques basés à Darmstadt ont reçu le soutien d'un groupe de recherche spécialisé en chimie du fluor à l'Université de Marburg, qui a produit un échantillon de la substance requise. Ainsi, il était possible de mesurer des courbes de résonance beaucoup plus étroites et de faire des déclarations plus précises sur le moment magnétique du noyau. De plus, du point de vue de la théorie quantique, des calculs beaucoup plus précis peuvent être effectués pour ce système qu'il n'était possible auparavant pour le nitrate de bismuth.

Les chercheurs ont utilisé la valeur nouvellement calculée pour le moment magnétique de l'isotope stable du bismuth et ont fait une prédiction théorique de la division de la structure hyperfine au sein des ions hautement chargés. Les valeurs obtenues, sont en très bon accord avec les résultats des mesures spectroscopiques laser précédemment rapportées. "Il serait trop tôt pour affirmer que cela représente la solution complète au puzzle hyperfin, " Le professeur Wilfried Nörtershäuser de l'Institut de physique nucléaire de la TU Darmstadt explique :continuer à dire; "néanmoins, c'est à coup sûr une partie importante de la solution. D'autres expériences sont encore nécessaires pour parvenir à une clarté complète sur l'interaction entre le noyau atomique et la coquille et, donc, de vérifier les prédictions théoriques de la nature de la mécanique quantique dans des champs très forts." Pour mieux comprendre l'influence complexe de la couche électronique sur les mesures des moments magnétiques nucléaires, Les scientifiques de la TU Darmstadt veulent maintenant effectuer des mesures des moments magnétiques nucléaires sur des noyaux atomiques avec un seul électron lié ou aucune couche électronique du tout. Selon Nörtershäuser, de telles expériences sont préparées au GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research à Darmstadt, impliquant également d'autres groupes de travail de la TU Darmstadt.