用于测定 ⁹Be 的核磁特性的潘宁离子阱。来源：MPIK
原子的电子壳充当“电磁屏蔽”，阻止直接进入原子核及其特性。海德堡马克斯·普朗克核物理研究所所长 Klaus Blaum 小组的一个团队现在已经成功地精确测量了这种屏蔽在铍原子中的影响。这项研究发表在《自然》杂志上。
铍 9 的磁矩测定精度比以前高 40 倍。这种精确的测量不仅与基础物理学有关，还有助于我们深入了解核磁共振的某些应用，这些应用应用于化学和高精度的磁场测量。
“Shields up！”：这个命令对于“Star Trek”的粉丝来说很熟悉。自然科学研究人员也知道类似的事情——电磁壳充当保护罩，通常会阻止进入其原子核。这在化学中会产生影响，例如，化学性质是通过核磁共振来研究的。
这种方法类似于磁共振成像。然而，它不是产生活体的图像，而是提供所研究材料的高精度化学指纹。这两种方法都使用强磁场，并且基于一些原子核是小磁铁的事实——就像微小的指南针一样。
在强磁场中，它们可以开始以圆周运动旋转。就像在教室里用感应线圈移动磁铁的实验一样，原子的这种运动与周围的电子壳层相互作用。由于电子构成化学键，进动原子核的信号提供了有关其化学环境的非常精确的信息。
三体问题现在，人们可能会认为，在现代物理学中，原子核的磁矩和电子壳层的屏蔽效应可以准确计算。然而，事实并非如此，海德堡研究所负责此类理论计算的 Zoltan Harman 证实。原因（通常是这种情况）是一个基本问题，即无法精确执行由两个以上物体组成的系统的计算。
这适用于恒星系统中的行星轨道以及原子，其电子只能位于围绕原子核的某些量子化能量轨道中。此外，原子核本身无法精确计算。即使是最简单的原子核，氢中的单个质子，也由三个以复杂方式相互作用的夸克组成。
“因此，理论家只能计算出这样一个核矩的不确定性，大约是千分之一，”Stefan Dickopf 说。因此，对于核磁共振和基础物理学中的应用，高精度实验非常重要，以便比计算更准确地测量这些特性。
Klaus Blaum 的团队开发了一种使用所谓的 Penning 陷阱的具有世界级性能的方法。它可以非常精确地测量原子核的磁性。由 Andreas Mooser 领导的团队的首席博士生 Stefan Dickopf 现在已经对同位素铍 9 进行了此类测量。
为什么铍 9 如此有趣但为什么铍是元素周期表中的第四大元素呢？Dickopf 解释说，这有几个原因，其中之一是：“它有一个小的原子核，这就是为什么不需要对较大的原子核进行某些修正的原因。然而，最重要的是，它接近第二种元素，即氦。这在核磁共振中的应用方面起着重要作用。
如果要在那里进行精确测量，首先需要准确测量设备内部的磁场。这种准确性在后续分析中起着决定性的作用。
适合这些磁场测量的“探针”是氦同位素氦-3。Blaum 的团队已经能够在 2022 年发表的 Penning 陷阱中非常精确地测量其磁矩。然而，他们必须从氦 3 中去除一个电子。
这是因为 Penning 离子阱只能与被捕获数月的带电离子一起工作，该离子由复杂形状的电场和强磁场相结合。另一方面，核磁共振方法使用中性氦 3 作为探针，这带来了一个问题。Dickopf 说：“两个电子的屏蔽作用尚不清楚。
这促使海德堡团队对铍 9 进行了类似的测量。为此，该团队从中取出了三个电子，只留下一个电子。与已经建立的铍核磁矩测量值的交叉比较，从中去除的电子较少，提供了有关电子确切屏蔽效果的关键数据。这反过来又可以得出关于中性氦 3 屏蔽的结论。
只有一个“残余电子”的铍-9 离子也是关注的焦点，因为它是一个“类氢”系统，Dickopf 和 Harman 解释说。由于原子核很小，因此可以认为它是一个单独的单元，实际上就像一个微小的罗盘针。它与仅存的电子一起，几乎形成了一个理论上完全可计算的双体系统。
根据 Haman 的说法，电子现在可以用作天线来测量铍 9 原子核的磁矩。“这大约是 26 个数量级，即十亿分之一的十亿分之一，比罗盘针还弱，”Dickopf 在概述挑战时说。
第二准确的核磁矩测量与所有精密测量一样，潘宁陷阱中的测量基于这样一个事实，即可以精确计算重复的运动——就像时钟通过其运动计算钟摆摆动一样。离子在离子阱的强磁场中沿圆形轨道旋转，这种“回旋加速器频率”使计数电子设备能够非常精确地测量离子阱本身的磁场。这对于精确测量磁矩至关重要。
现在，核矩的方向必须像磁场中的一个小罗盘针一样测量。这里的决定性因素是核矩的能量如何在量子物理学允许的两个不同方向之间的磁场中变化。此信息由此测量方法中出现的其他频率提供。但是，这个信号非常微弱。电子作为靠近原子核的小天线，将其放大，从而首先使这些频率测量成为可能。
“通过这种方式，我们成功地用铍 9 进行了仅次于质子的核磁矩的第二精确测量，”Dickopf 说。该实验还提供了关于几个电子屏蔽效应的第一个精确数据，现在可以将其转移到氦 3 中。这将有助于使某些核共振应用更加精确。
因此，海德堡的结果是双赢的，无论是对于基础物理学还是用于磁场的精确测量。
更多信息：Stefan Dickopf 等人，精密光谱学9克服核结构的限制，自然（2024 年）。DOI： 10.1038/s41586-024-07795-1
期刊信息： Nature
