Étudier les propriétés magnétiques de l’hélium-3
Étudier les propriétés magnétiques de l’hélium-3. Dans une recherche expérimentale théorique conjointe publiée dans Nature, des physiciens de l’Institut Max Planck d’Heidelberg pour la physique nucléaire (MPIK), en collaboration avec des collaborateurs de RIKEN, au Japon, ont étudié les propriétés magnétiques de l’isotope hélium -3. Pour la première fois, les facteurs g électroniques et nucléaires de l’ion 3He+ ont été mesurés directement avec une précision relative de 10–10.
La coopération magnétique électron-noyau (clivage hyperfin à champ nul) a été mesurée avec une précision augmentée de deux ordres de grandeur. Le facteur g du noyau 3 se définit par un calcul précis du blindage électronique. Les résultats constituent le premier étalonnage direct pour les sondes de résonance magnétique nucléaire (RMN) 3He.
La connaissance exacte des propriétés magnétiques de la matière au niveau atomique/nucléaire est d’une grande importance pour la physique fondamentale et les applications telles que les sondes de résonance magnétique nucléaire (RMN). Les particules chargées avec un moment cinétique inhérent (spin) fonctionnent comme une petite aiguille magnétique.
La proportionnalité du moment magnétique et du spin
La proportionnalité du moment magnétique (force du champ électromagnétique) et du spin est offerte par le prétendu facteur g, qui est une propriété de la particule spécifique et de son environnement. Un moment cinétique atomique ou nucléaire est quantifié. Plus précisément, le spin de l’électron (même pour le noyau) dans 3He peut parallèlement se diriger ou antiparallèlement à un champ magnétique externe.
L’interaction magnétique de 3He est triple (Fig. 1). Dans un champ magnétique extérieur, le guidage 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 (supposée division hyperfine). Cela déclenche globalement quatre niveaux d’énergie en s’appuyant sur le guidage de spin électronique et nucléaire.
Les transitions entre eux (correspondant à un spin-flip) peuvent se stimuler par résonance par le rayonnement micro-onde. Cela permet une mesure très précise des fréquences de résonance, où les facteurs g et la division hyperfine pour un champ magnétique fourni peuvent directement se déduire.
Pour l’expérience, les scientifiques de la division de Klaus Blaum au MPIK, ainsi que 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 changement entre les états hyperfins. Simultanément le champ magnétique, grâce à la détermination précise de la fréquence cyclotronique de l’ion piégé.
Étudier les propriétés magnétiques de l’hélium-3: la configuration du piège
Antonia Schneider, la première auteure de l’article, décrit la configuration du piège : « Il se place à l’intérieur d’un aimant supraconducteur de 5,7 tesla et composé de deux composants. Un piège de précision pour la mesure des fréquences ioniques et l’interaction avec le rayonnement micro-onde. Et, un piège d’analyse pour définir l’état hyperfin ».
Pour chaque commutateur, le taux de spin-flip atteint un maximum à la résonance. Les facteurs g et la séparation hyperfine à champ nul sont ensuite extraits de l’évaluation 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 dans 3He2+ du facteur g nucléaire mesuré dans 3He+, il faut alors considérer le blindage diamagnétique de l’électron. C’est-à-dire sa réaction magnétique au champ extérieur”. Explique ainsi Bastian Sikora de la division de Christoph H. Keitel chez MPIK.
Les théoriciens ont donc défini le facteur de blindage avec une grande précision en utilisant des calculs d’électrodynamique quantique (QED) très précis. Ils ont également déterminé le facteur g des électrons liés pour 3He+ et la division hyperfine à champ nul à l’intérieur du cadre théorique.
Étudier les propriétés magnétiques de l’hélium-3: les résultats théoriques et expérimentaux
Tous les résultats théoriques et expérimentaux sont pourtant cohérents dans la précision d’appariement. Ainsi qu’améliorés pour le fractionnement hyperfin expérimental à champ nul de deux ordres de grandeur. Ce dernier s’utilisait alors pour extraire un paramètre nucléaire (rayon de Zemach) représentant la charge nucléaire et la distribution de l’aimantation.
À l’avenir, les chercheurs se donc préparent à améliorer les mesures en diminuant l’inhomogénéité magnétique du piège de précision. Et, en précisant plus précisément le champ magnétique. La nouvelle technique de mesure peut aussi s’appliquer pour déterminer le moment magnétique nucléaire d’autres ions de type hydrogène.
L’action suivante est alors une mesure directe du moment magnétique du noyau 3He nu dans un piège de Penning avec une précision relative de l’ordre de 1 ppb. Ou mieux en appliquant un refroidissement laser sympathique.
Lire l’article original sur PHYS.
Plus d’informations :
A. Schneider et al, Mesure directe des moments magnétiques 3He+, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04761-7
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