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| Ilustración esquemática del movimiento circular acoplado de un par de iones de Ne altamente cargados dentro de la trampa de iones APLPHATRAP. Línea ondulada: Radiación de microondas. Crédito: Instituto Max Planck |
Cada electrón tiene un momento magnético que se alinea en un campo magnético. La fuerza de este momento magnético, dada por el llamado factor g, puede predecirse con extraordinaria precisión mediante la electrodinámica cuántica. Al estudiar las diferencias entre isótopos, muchas contribuciones comunes de la QED se cancelan debido a la idéntica configuración de los electrones, lo que permite resolver los intrincados efectos derivados de las diferencias nucleares. Sin embargo, experimentalmente, esto se ve rápidamente limitado, sobre todo por la precisión de las masas de los iones o la estabilidad del campo magnético.
Científicos del Instituto Max Planck de Física Nuclear (MPIK) de Heidelberg han presentado una nueva técnica de medición que supera estas limitaciones. Con su técnica, han medido la pequeñísima diferencia en las propiedades magnéticas de dos isótopos de neón altamente cargados en una trampa de iones con una precisión antes inaccesible.
El director del grupo, Sven Sturm, declaró:
"Con nuestro trabajo, hemos conseguido investigar estas predicciones de la QED con una resolución sin precedentes, en parte, por primera vez. Para ello, hemos observado la diferencia en el factor g de dos isótopos de iones de neón altamente cargados que poseen un solo electrón".
Para este estudio, los científicos utilizaron dos isótopos: 20Ne9+ y 22Ne9+. Ambos isótopos difieren únicamente en el número de neutrones del núcleo, pero tienen la misma carga nuclear. Tienen 10 y 12 neutrones, respectivamente.
En el experimento ALPHATRAP del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg se utiliza una trampa Penning específicamente construida para almacenar iones individuales en un fuerte campo magnético de 4 Tesla en un vacío casi perfecto. El objetivo del experimento es averiguar cuánta energía se necesita para cambiar la orientación de la "aguja de una brújula" (espín) en un campo magnético.
Para ello es necesario conocer la frecuencia exacta de la excitación por microondas, que depende del valor preciso del campo magnético. Los científicos lo determinaron aprovechando el movimiento de los iones en la trampa Penning, que también depende del campo magnético.
A pesar de la excelente estabilidad temporal del imán superconductor, las pequeñas variaciones inevitables del campo magnético limitan las observaciones anteriores a unos 11 dígitos de precisión.
Fabian Heiße, Postdoc en el experimento ALPHATRAP, dijo: "La idea del nuevo método es almacenar los dos iones a comparar, 20Ne9+ y 22Ne9+, simultáneamente en el mismo campo magnético en un movimiento acoplado. En dicho movimiento, los dos iones siempre giran uno frente al otro en una trayectoria circular común con un radio de sólo 200 micrómetros".
Como resultado, los cambios en el campo magnético tienen efectos casi idénticos en ambos isótopos, lo que implica que la diferencia de energías buscadas no influye. Los científicos también determinaron la diferencia de los factores g de ambos isótopos con una precisión récord de 13 dígitos cuando se combinan con el campo magnético medido, lo que supone una mejora de un factor de 100 respecto a las mediciones anteriores y, por tanto, la comparación más exacta de dos factores g en el mundo.
La resolución alcanzada aquí puede ilustrarse como sigue: Si, en lugar del factor g, los científicos hubieran medido la montaña más alta de Alemania, el Zugspitze, con tal precisión, serían capaces de reconocer más átomos individuales en la cumbre por la altura de la montaña.
El jefe del grupo, Zoltán Harman, declaró:
"Al comparar los nuevos valores experimentales, confirmamos que el electrón interactúa efectivamente con el núcleo atómico mediante el intercambio de fotones, como predice la QED. Esto se ha resuelto y comprobado con éxito por primera vez gracias a las diferentes mediciones realizadas en los dos isótopos de neón. Además, suponiendo que se conozcan los resultados de la QED, el estudio permite determinar los radios nucleares de los isótopos con mayor precisión de lo que era posible anteriormente, por un factor de 10".
El postdoc Vincent Debierre dijo: "A la inversa, la concordancia entre los resultados de la teoría y el experimento nos permite constreñir nueva física más allá del modelo estándar conocido, como la fuerza de la interacción del ion con la materia oscura."
El primer autor, el Dr. Tim Sailer, dijo: "En el futuro, el método presentado aquí podría permitir varios experimentos novedosos y emocionantes, como la comparación directa de la materia y la antimateria o la determinación ultraprecisa de las constantes fundamentales."
Fuentes, créditos y referencias:
Tim Sailer et al., Measurement of the bound-electron g-factor difference in coupled ions, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04807-w