Physics World: Российские и немецкие физики разрешили «загадку сверхтонкой структуры»

Physics World: Российские и немецкие физики разрешили «загадку сверхтонкой структуры»

Сотрудникам кафедры квантовой механики СПбГУ и лаборатории квантовой химии Петербургского института ядерной физики имени Б. П. Константинова (ПИЯФ, входит в состав НИЦ «Курчатовский институт») совместно с коллегами из Германии удалось разрешить «загадку сверхтонкой структуры» ионов висмута. Об этом сообщает авторитетное издание Physics World.

В 2001 году профессор Санкт-Петербургского университета Владимир Шабаев и сотрудники кафедры квантовой механики СПбГУ предложили эксперименты по проверке пределов применимости квантовой электродинамики в уникальной комбинации наиболее сильных электрического и магнитного полей [V. M. Shabaev et al., Phys. Rev. Lett. 86, 3959 (2001)].

Ядро атома имеет магнитный момент, с магнитным полем которого взаимодействуют электроны. Это взаимодействие приводит к сверхтонкому расщеплению атомных уровней. Наиболее сильное расщепление возникает в высокозарядных ионах тяжёлых элементов. В таких системах магнитное поле, которое испытывает электрон, в тысячу раз больше того, что может быть создано наиболее сильными магнитами в лаборатории.

Принципиальная идея состояла в том, чтобы исключить погрешность в расчетах сверхтонкого расщепления, обусловленную плохо известным распределением магнитного момента по ядру. Для этого предлагалось рассматривать специальную разность сверхтонких расщеплений в водородоподобном и литиеподобном тяжелых ионах.

Эксперименты проводили немецкие исследователи на ионах 209Bi. В 2017 году им удалось добиться нужного уровня точности, чтобы проверить предсказания теории (J. Ullmann et al., Nature Communications 8, 15484 (2017)). Однако результаты выполненного эксперимента очень сильно разошлись с теоретическими предсказаниями. Это расхождение получило название «загадки сверхтонкой структуры» («hyperfine puzzle»).

Объяснение было найдено в ходе совместных исследований ученых из России и Германии и обнародовано в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters (L. V. Skripnikov et al, Phys. Rev. Lett., 120, 093001 (2018)). Дело оказалось в значении магнитного момента ядра изотопа 209Bi. В литературе значение этой, одной из наиболее важных характеристик ядра считалось известным с очень высокой точностью, однако было решено его перепроверить.

Для нахождения магнитных моментов необходимо выполнить эксперимент (по ядерному магнитному резонансу) на молекуле, содержащей нужный элемент, и интерпретировать его. В ходе исследований выяснилось, что молекула нитрата висмута — именно она изучалась ранее для нахождения магнитного момента ядра 209Bi — является не самой оптимальной. Доцент СПбГУ Леонид Скрипников предложил выполнить эксперимент на другой молекуле — BiF6-. Хотя для неё уже имелись экспериментальные данные, в них были найдены определённые противоречия.

Задачу постановки нового эксперимента взяли на себя немецкие ученые во главе с профессором Вильфридом Нётерхаузером (Технический университет Дармштадт) .

Для его интерпретации российской стороной была развита специальная теория описания электронной структуры молекул, содержащих тяжёлые элементы. Она позволила учесть очень важные вклады молекулярного окружения в константу экранирования 209Bi, которые не учитывались в предыдущих работах. В результате совместных усилий исследователям удалось получить новое значение для магнитного момента ядра 209Bi. Оно заметно отличается от того, что использовалось ранее. Расчёты специальной разности сверхтонких расщеплений с новым значением магнитного момента ядра дали теоретическое значение, которое в пределах погрешности совпадает с экспериментальным значением. Таким образом «загадка сверхтонкой структуры» была разрешена.

Развитие методов теоретического предсказания свойств соединений тяжёлых элементов — одно из направлений деятельности кафедры квантовой механики СПбГУ. Такие подходы применяются сотрудниками кафедры и ПИЯФ, в частности, для задач, связанных с поиском фундаментальных свойств элементарных частиц с использованием тяжёлых атомов и молекул, развитием неразрушающих методов анализа состава соединений радиоактивных элементов и др.

  • Просмотров: 993

Ответственный за содержание: специалист управления по связям с общественностью С. С. Смирнова, s.s.smirnova@spbu.ru