Dans une étude expérimentale et théorique conjointe publiée dans 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 électroniques et nucléaires du ³ Il ⁺ ion 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 simple ³ Le noyau a été déterminé via un calcul précis du blindage électronique. Les résultats constituent le premier étalonnage direct pour ³ Il sondes de résonance magnétique nucléaire (RMN).

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 comme 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 pour le noyau) en ³ Il peut être orienté parallèlement ou anti-parallèlement à un champ magnétique externe.

L'interaction magnétique de ³ Il 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 en ³ Il ²⁺ à partir du facteur g nucléaire mesuré en ³ Il ⁺ , il faut tenir compte du blindage diamagnétique de l'électron, c'est-à-dire de sa réponse magnétique au champ extérieur", explique Bastian Sikora de la division de Christoph H. Keitel au 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 électronique lié pour ³ Il ⁺ et le dédoublement hyperfin à champ nul. Tous les résultats théoriques et expérimentaux sont cohérents dans la précision correspondante, qui a été améliorée pour le fractionnement hyperfin expérimental 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 des mesures de champ magnétique plus précises. 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 nu ³ Il noyau 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. + Explorer plus loin

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