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15.06.22 | Präzisionsmessungen
Erste direkte Messung der g-Faktor Differenz zweier gleichzeitig gespeicherter Isotope

Die Quantenelektrodynamik (QED), die fundamentale Theorie der Licht-Materie-Wechselwirkung, war bisher stets in hervorragender Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen (siehe z. B. unsere Nachricht vom 08.07.11 und 20.02.14). Heutige fortgeschrittene hochpräzise Penningfallen-Messungen ermöglichen Tests hochmoderner QED-Berechnungen. Das magnetische Moment (bzw. der g-Faktor) wasserstoffähnlicher Ionen, die ein einfaches gebundenes System darstellen, ist experimentell zugänglich und lässt sich auch sehr präzise theoretisch vorhersagen. Daher liefern genaue g-Faktor Messungen des gebundenen Elektrons hochgeladener Ionen (HCI) in Penningfallen strenge Tests des Standardmodells in den stärksten elektromagnetischen Feldern (siehe z. B. unsere Nachricht vom 25.02.19).
Der g-Faktor des gebundenen Elektrons in wasserstoffähnlichen Ionen ergibt sich vor allem durch das zusätzliche elektrische Feld modifizierten g-Faktor eines freien Elektrons. Da viele andere beitragende Kerneffekte (z. B. Kernmasse, Ladungsradius) kleiner sind als die QED-Beiträge und deren Unsicherheiten, lassen sie sich nur schwer untersuchen. Diese theoretische Limitation lässt sich überwinden, indem man die g-Faktor Differenz zweier hochgeladener Isotope untersucht. In diesem Fall müssen die gemeinsamen identischen QED-Beiträge und deren Unsicherheiten nicht berücksichtigt werden, sodass die Unterschiede der Isotope aufgrund des Kerns in den Vordergrund treten. Hierdurch kann z. B. der Beitrag des Kernrückstoßes zum g-Faktor aufgelöst und getestet werden, der die Beweglichkeit des Kerns im Rahmen komplizierter QED-Berechnungen berücksichtigt.
Für die Durchführung hochpräziser Tests dieser genauen QED-Berechnungen, müssen die experimentellen Limitationen aufgrund der Genauigkeit der Ionenmassen und der erreichbaren Magnetfeldstabilität (siehe unsere Nachricht vom 18.01.16) überwunden werden. Indem man zwei HCIs gleichzeitig in einer Penningfalle speichert und die Differenz ihrer g-Faktoren direkt misst, könnte der Einfluss von Magnetfeldfluktuationen erheblich reduziert werden. Die stark verbesserte Messgenauigkeit würde es erlauben, die zugehörigen QED-Berechnungen mit hoher Präzision zu testen.

In einem kürzlich in "Nature" veröffentlichten Artikel berichten unsere Abteilungsmitglieder Dr. T. Sailer et al. über den Einsatz einer neu entwickelten Technik zur direkten Messung der g-Faktor Differenz. Die hochpräzisen Messungen wurden im Penningfallen-System ALPHATRAP am MPIK in Heidelberg durchgeführt, wo Ionen durch die Kombination aus statischen elektrischen und magnetischen Feldern gefangen und manipuliert werden können. ALPHATRAP ist ein kryogenes Doppelfallen-System in einem supraleitenden 4-T Magneten, bestehend aus einer Präzisionsfalle (PT) und einer Analysefalle (AT). Die PT mit ihrem sehr homogenen Magnetfeld wird dabei für Spektroskopie mit höchster Präzision verwendet, während in der AT durch eine starke magnetische Flasche die Larmor-Frequenz ν_L bestimmt werden kann. Dazu werden mithilfe des kontinuierlichen Stern-Gerlach Effekts durch Mikrowellen im Bereich von ν_L induzierte Spin-Flips detektiert.

Die Bestimmung des g-Faktors der gespeicherten Ionen basiert auf der Messung des Frequenzverhältnisses ν_L/ν_c der Larmor-Frequenz (ν_L) und der Zyklotronfrequenz (ν_c). ν_c kann in der PT aus den drei unabhängigen harmonischen Oszillationen der Ionenbewegung ν_z (Axialfrequenz), ν₊ (modifizierte Zyklotronfrequenz) und ν_- (Magnetronfrequenz) mithilfe des Invarianztheorems präzise bestimmt werden: ν_c²=ν₊²+ν_z²+ν_-².
Für die direkte Messung der g-Faktor Differenz zweier HCIs zum strengen Test exakter QED-Berechnungen gebundener Zustände, wurden die Neon-Isotope²⁰Ne⁹⁺ und ²²Ne⁹⁺ gleichzeitig in dem Penningfallen-System gespeichert. Hierzu entwickelten die Wissenschaftler eine neuartige Messtechnik, die auf dem Prinzip der "Two-Ion-Balance" beruht, die am MIT entwickelt wurde (siehe Phys. Rev. A 45, 3049 (1992) und Science 303, 334–338 (2004) ).

Die beiden Ionen, ²⁰Ne⁹⁺ und ²²Ne⁹⁺, wurden dazu auf einer gemeinsamen Magnetron Kreisbahn mit einem Abstand von lediglich 400 μm in der PT gekoppelt. Dies ermöglicht eine kohärente Messung der Larmor-Frequenz Differenz indem eine Ramsey-artige Messung (eine Einstrahlung von zwei kurzen Mikrowellen π/2-Pulsen, mit einer variablen Zeit dazwischen) durchgeführt wurde. Aus der extrahierten Differenzfrequenz Δν_L konnte anschließend die g-Faktor Differenz Δg von ²⁰Ne⁹⁺ und ²²Ne⁹⁺ bestimmt werden. Die erreichte Präzision von 5.6 × 10⁻¹³ (0.56 p.p.t.) relative zu den absoluten g-Faktoren ist mehr als zwei Größenordnungen genauer als vorherige Vergleiche dieser Art.

Diese verbesserte Genauigkeit erlaubt es zum ersten Mal, den QED-Beitrag zum Kernrückstoß aufzulösen und zu bestätigen. A. V. Volotka und Mitglieder der Theorie-Abteilung von Prof. C. H. Keitel führten für den Vergleich des experimentellen Ergebnisses mit der theoretischen Vorhersage präzise QED-Berechnungen durch. Der experimentelle Wert stimmt hervorragend mit dem berechneten Wert von Δg überein und ist zudem 10-mal genauer. Alternativ dazu kann die Kombination aus Theorie und des sehr genauen experimentellen Werts verwendet werden, um eine Verbesserung der Präzision der Ladungsradius-Differenz der Isotope um etwa eine Größenordnung zu erreichen.
Außerdem gestattet die exzellente Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment, Einschränkungen für die Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik zu setzen.

Weitere Informationen finden Sie im "Nature"-Artikel und dem zugehörigen Artikel in News & Views

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldung des MPIK (idw ).

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08.06.22 | Präzisionsmessungen
Erste direkte Messung des magnetischen Kernmoments von Helium-3

Das Helium-Isotop ³He ist für die moderne Physik von großer Bedeutung, insbesondere für die Grundlagenphysik (siehe z. B. unsere Nachricht vom 03.09.20), etwa empfindliche Tests der QED gebundener Zustände und Myon g-2 Experimente. Darüber hinaus auch für die Chemie, die Medizin und andere Wissenschaftsbereiche.
In der Magnetometrie sind mittels magnetischer ³He Kernresonanz-Sonden präzisere absolute Messungen des Magnetfeldes möglich, als bei Verwendung von Standard-Sonden, die Wasser verwenden. Daher könnten 3He Kernresonanz-Sonden für sehr genaue absolute Magnetometer verwendet werden und als neuer Standard für die ultra-sensitive absolute Magnetometrie dienen.
Voraussetzung hierfür ist aber, dass das magnetische Moment des ³He Kerns sehr genau und unabhängig bestimmt ist. Allerdings wurde bisher das Moment des ³He Kerns lediglich indirekt über den Vergleich mit wasserbasierten Proben mit einer relativen Genauigkeit von lediglich 12 parts per billion (p.p.b.) gemessen.
Der sogenannte g-Faktor ist eine Proportionalitätskonstante, die das magnetische Moment eines geladenen Teilchens mit seinem Spin verknüpft. Folglich wird eine hochpräzise direkte Bestimmung des g-Faktors des ³He Kerns eine unabhängige Kalibrierung von ³He Kernresonanz-Sonden für hochgenaue Magnetometrie liefern.

In einem kürzlich in "Nature" veröffentlichten Artikel berichten Wissenschaftler unserer Abteilung "Gespeicherte und gekühlte Ionen", der Universität Mainz und von RIKEN über die ersten direkten Messungen des g-Faktors des gebundenen Elektrons und des g-Faktors des Kerns von ³He⁺ mit einer relativen Genauigkeit von 10^–10. Die Genauigkeit der Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung des Grundzustands von ³He⁺ (magnetische Wechselwirkung von Elektron und Kern) konnte um zwei Größenordnungen verbessert werden.
Die Präzisionsmessungen wurden in einem neuartigen Penningfallen-System durchgeführt. Der Aufbau befindet sich im homogenen Feld eines supraleitenden 5.7 T Magneten und besteht aus einer Präzisionsfalle (PT) und einer Analysefalle (AT) mit einer räumlich getrennten starken magnetischen Inhomogenität.

Die Bewegung eines einzelnen in einer Penningfalle gespeicherten geladenen Teilchens - in diesem Fall das ³He⁺ Ion - besteht aus drei unabhängigen harmonischen Oszillationen: der Axialfrequenz ν_z, der modifizierten Zyklotronfrequenz ν₊ und der Magnetronfrequenz ν_-. Diese Eigenfrequenzen können mit hoher Genauigkeit in der PT nachgewiesen werden. Die freie Zyklotronfrequenz ν_c lässt sich mithilfe des sogenannten Invarianztheorems ν_c²=ν₊²+ν_z²+ν_-² bestimmen.
Der Elektronenspin und der Kernspin von ³He⁺ sind parallel oder antiparallel zu einem äußeren Magnetfeld ausgerichtet. Daraus ergibt sich eine Hyperfeinaufspaltung in ³He⁺ mit vier unterschiedlichen Hyperfeinzuständen. In der PT wurden zwei Elektronenspin- und zwei Kernspin-Übergangsfrequenzen zwischen diesen Hyperfeinzuständen bestimmt, indem die Zyklotronfrequenz gemessen wurde, während eine Mikrowellen-Anregung einer der vier Hyperfeinübergänge erfolgte.
Die elektronischen Übergänge und die Kernübergänge entsprechen einem Spin-Flip des Elektrons bzw. des Kerns. Die AT mit der starken magnetischen Inhomogenität dient dem Nachweis des Spinzustands durch Anwendung des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts. Ein Spin-Flip ändert das magnetische Moment des gespeicherten ³He⁺. Wegen der Kopplung des magnetischen Moments an die Axialfrequenz von ³He⁺, bewirkt diese Änderung eine Verschiebung der Axialfrequenz. Daher kann ein Spin-Flip nachgewiesen werden, indem man die Axialfrequenz in der AT vor und nach dem resonanten Anregen des Hyperfeinübergangs misst.
Aus den Resonanzkurven für jeden der vier Hyperfeinübergänge wurden der g-Faktor des gebundenen Elektrons, der g-Faktor des Kerns und die Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung von ³He⁺ extrahiert. Die dabei erreichte relative Genauigkeit von 10^–10 ist um einen Faktor 10 besser als jene bisheriger Ergebnisse.

Für den Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit modernen theoretischen Vorhersagen führten Mitglieder der MPIK-Theoriegruppe um Zoltán Harman in der Abteilung von Christoph H. Keitel hochpräzise QED-Berechnungen durch. Der theoretische Wert des g-Faktors des gebundenen Elektrons von ³He⁺ ist konsistent mit dem experimentellen Resultat. Der Unterschied zwischen dem experimentellen Wert der Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung des Grundzustands von ³He⁺ und dem berechneten Wert beträgt 6 parts per million (p.p.m.).
Aus dem gemessenen abgeschirmten g-Faktor des ³He⁺ Kerns und einer sehr genauen QED-Berechnung der diamagnetischen Abschirmkonstante wurde außerdem der g-Faktor des "nackten" (d. h. nicht abgeschirmten) ³He Kerns ermittelt.

Diese erste direkte Kalibrierung für ³He Kernresonanz-Sonden verbessert bisherige indirekte Ergebnisse um eine Größenordnung (1 p.p.b. anstatt 12 p.p.b.). Künftig sollen die Penningfallen-Messungen weiter verbessert werden, indem die magnetische Inhomogenität der PT reduziert wird. Außerdem werden durch den Einsatz schneller phasensensitiver Nachweismethoden - z. B. der "Pulse and Amplify" Methode - noch genauere Magnetfeldmessungen möglich sein. Die erstmals bei Helium-3 eingesetzte neue Messmethode kann auch zur Bestimmung des magnetischen Kernmoments schwererer wasserstoffähnlicher Ionen eingesetzt werden. Der nächste Schritt wird eine direkte Penningfallen-Messung des magnetischen Moments des nackten ³He Kerns sein. Mithilfe sympathetischer Laserkühlung wird eine relative Genauigkeit von etwa 1 p.p.b. oder besser erreicht werden.

Weitere Informationen finden Sie im "Nature" Artikel ... >

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldungen des MPIK (idw ) und der MPG .

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