Lösung des Hyperfein-Rätsels rückt näher

Bei der Messung der Hyperfeinstruktur in schweren hoch­ge­ladenen Ionen mit nur wenigen ver­blei­benden Elek­tronen hatten Forscher der TU Darm­stadt im vergan­genen Jahr eine Abwei­chung der experi­men­tell bestimmten Auf­spal­tungen zu theo­re­tischen Vor­her­sagen gefunden. Dieses „Hyper­fein-Rätsel“ warf die Frage auf, ob die Wechsel­wirkung zwischen den wenigen an den Atom­kern gebun­denen Elek­tronen und dem Kern unter dem Ein­fluss der dort herr­schenden starken Magnet­felder voll­ständig ver­standen ist. Als nächster ent­schei­dender Schritt zur Lösung des Rätsels stand die Neu­be­stim­mung der Stärke des magne­tischen Felds des Atom­kerns an.

Um das magnetische Moment des Atomkerns neu zu messen, verwen­deten die Forscher der TU Darm­stadt die Kern­resonanz­spektro­skopie. Sie beruht darauf, dass Atom­kerne ein Magnet­feld auf­weisen, wenn sie wie das unter­suchte Wismut­isotop einen Kern­spin besitzen. Unter dem Ein­fluss eines externen Magnet­felds richten sich der Kern­spin entlang der äußeren Magnet­feld­achse aus. Strahlt man Radio­wellen geeig­neter Frequenz auf die unter­suchten Atome, kann die Orien­tie­rung der Kern­magnete umge­klappt werden. Die Frequenz der Radio­wellen, bei der die Spins umklappen, hängt vom kern­magne­tischen Moment ab. Kennt man die Frequenz, kann man schluss­folgern, wie groß das magne­tische Moment ist. Dazu brachten die Forscher eine mit Wismut­ionen ange­reicherte Flüssig­keit in einen supra­leitenden Magneten ein und strahlten über eine kleine Spule Radio­frequenzen ein, bis sie bei den Wismut­ionen eine Pol­umkehr beob­achteten.

Die Schwierigkeit dabei: Die chemische Umgebung der Ionen, also die Flüssig­keit, in der sie sich befinden, ver­ändert das externe Magnet­feld in der Nähe des Atom­kerns. Dadurch wird die genaue Bestim­mung des magne­tischen Moments beein­flusst. Dieser störende Effekt muss heraus­ge­rechnet werden. Dafür wurden an der Uni­ver­sität St. Peters­burg und am Helm­holtz-Institut Jena hoch­spezia­li­sierte quanten­theore­tische Berech­nungen durch­ge­führt. Es stellte sich heraus, dass bei der Ver­wendung von Wismut­nitrat­lösungen der Effekt viel stärker ist als bisher ange­nommen. Messungen mit Hilfe von Wismut­nitrat­lösungen erwiesen sich somit als unge­nügend.

Einen Durchbruch erzielten die Forscher schließlich durch die Ver­wendung einer komplexen metall­orga­nischen Ver­bindung, die in orga­nischer Lösung Hexa­fluo­rido­bismutat(V)-Ionen bereit­stellt. Die Forscher der TU Darm­stadt fanden Unter­stützung bei einer auf Fluor­chemie speziali­sierten Arbeits­gruppe der Uni Marburg, die eine Probe der benötigten Substanz her­stellte. Damit konnten sehr viel schmalere Resonanz­kurven als mit Wismut­nitrat gemessen und präzi­sere Aus­sagen über die magne­tischen Kräfte am Kern getroffen werden. Auch quanten­theo­re­tisch ließ sich dieses System sehr viel genauer berechnen als das bis­lang ver­wendete Wismut­nitrat.

Die Wissenschaftler nutzten den neu bestimmten Wert für das magne­tische Moment des stabilen Wismut­isotops und trafen eine theo­re­tische Vorher­sage der Hyper­fein­struktur­auf­spal­tungen in den hoch­ge­ladenen Ionen. Der Abgleich mit experi­men­tell gewonnen Werten zeigte: Diese Vorher­sage stimmt weit­gehend mit den Ergeb­nissen von laser­spektro­sko­pischen Messungen überein. „Die Aussage, dass dies bereits die voll­ständige Lösung des Hyper­fein-Rätsels ist, wäre zu diesem Zeit­punkt noch ver­früht. Dennoch handelt es sich sicher­lich um einen beträcht­lichen Teil der Lösung“, erläutert Wilfried Nörters­häuser von der TU Darm­stadt. „Um voll­stän­dige Klar­heit über das Wechsel­spiel von Atom­kern und Hülle zu erlangen und somit den grund­legenden Vorher­sagen der Quanten­natur in starken Feldern näher zu kommen, sind noch weitere Experi­mente not­wendig.“ Die Forscher der TU Darm­stadt möchten nun magne­tische Momente an Atom­kernen mit nur einem ein­zelnen gebun­denen Elektron oder an nackten Atom­kernen ohne Elek­tronen­hülle unter­suchen, um die komplexen Ein­flüsse der Hülle auf die Messungen zu unter­binden. Solche Experi­mente seien am Helm­holtz­zentrum für Schwer­ionen­forschung für die kommenden Jahre mit der Unter­stützung von mehreren Arbeits­gruppen der TU Darm­stadt geplant, so Nörters­häuser.

TU Darmstadt / RK