Физики из Германии и России провели сверхточное измерение изотопического сдвига электронного магнитного момента у водородоподобных ионов неона. Совместное измерение пары изотопов в ловушке Пеннинга позволило существенно уменьшить погрешности и довести относительную точность измерения разницы их g-факторов до 5,6 × 10⁻¹³.

Исследование опубликовано в Nature.

Говоря о соотношении размеров атома и его ядра, часто приводят в сравнение футбольный стадион, в середине которого лежит горошина. Глядя на расстояния, разделяющие электрон и ядро, можно считать последнее точкой. Этот подход оказался плодотворным: в начале XX века — на заре атомной физики — физики считали ядро точечным, и свежесозданная квантовая механика прекрасно справлялась с результатами экспериментов той эпохи. Приближение точечного ядра оставалось удовлетворительным даже тогда, когда потребовался учет взаимодействия между орбитальным движением электрона и его спином, а также релятивистских эффектов.

Однако прогресс в области экспериментальной физики вскоре стал обнажать тончайшие атомные эффекты. К их числу относятся конечность массы ядра, приводящая к эффектам отдачи, и конечность его размеров, что выражается в неточечном распределении электрического заряда и намагниченности. Конечность размеров атомного ядра (в первую очередь водорода) стала точкой несовместности двух групп экспериментов, получившей название «загадка радиуса протона». Этой проблеме мы посвятили отдельный материал «Щель в доспехах», а также активно следимhttps://nplus1.ru/news/2020/12/12/protonpuzzleagain за ходом ее разрешения.

Конечность размера массы ядра тоже интересует физиков. Кроме смещения энергетических уровней это приводит к тончайшему изменению отклика электрона на магнитное поле, которое характеризуется его магнитным моментом, выраженным через фактор Ланде или g-фактор. Выделение этого эффекта при измерении свойств одиночных ионов возможно, но страдает от точности, поскольку конечность массы тонет на фоне множества других квантовоэлектродинамических (КЭД) эффектов.

По этой причине группа физиков из Института ядерной физики Общества Макса Планка при участии Андрея Волотка (Andrey Volotka) из Университета ИТМО измеряла g-факторы сразу у двух водородоподобных ионов, ядра которых представляли собой изотопы ²⁰Ne и ²²Ne. Помещая ионы в идентичные условия и измеряя разницу их магнитных моментов, ученые смогли исключить все прочие эффекты, не связанные с отдачей ядра. Это позволило на два порядка увеличить точность экспериментального доступа к изотопическому сдвигу по сравнению с предыдущими измерениями.