HELMHOLTZ-PREIS 2012 (Preisverleihung am 28.03.2012)
Anke Wagner, Sven Sturm, Prof. Dr. Klaus Blaum für die Arbeit „Der g-Faktor des gebundenen Elektrons in wasserstoffähnlichem Silizium − Der empfindlichste Test der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände“

Preisträger 2012: Der g-Faktor des Elektrons

(v.l.n.r.) Anke Wagner, Dr. Nathalie von Siemens, Sven Sturm, Prof. Dr. Klaus Blaum, Prof. Dr. Joachim Ullrich

Anke Wagner wurde 1983 in Mainz geboren. Sie studierte Physik an der Universität Mainz und wurde 2013 in Heidelberg von Klaus Blaum promoviert. Anschließend ging sie an die Florida State University in Tallahassee, wo sie als Postdoktorandin im Bereich der Hochpräzisionsmassenmessungen forscht. Sie ist die erste Helmholtz-Preisträgerin. Die Auszeichnung hat sie sehr stark motiviert, auf diesem Forschungsgebiet weiter zu arbeiten. Zugleich war für sie der Helmholtz-Preis der Höhepunkt der hervorragenden Zusammenarbeit mit Blaum und Sturm.

Sven Sturm, 1981 in Koblenz geboren, studierte Physik in Heidelberg und machte 2007 das Diplom mit einer am CERN durchgeführten Arbeit. Anschließend ging er nach Mainz, wo er 2012 von Klaus Blaum promoviert wurde. Seit 2012 ist er Gruppenleiter am MPI für Kernphysik in Heidelberg.

Klaus Blaum wurde 1971 in Bad Sobernheim geboren. Er studierte Physik in Mainz und schloss sein Studium 1997 mit einer bei Ernst Otten angefertigten Diplomarbeit ab, von dem er im Jahr 2000 auch promoviert wurde. Nach einer Zeit als Postdoktorand am CERN, u. a. in der Arbeitsgruppe von H.-J. Kluge, war er von 2004 bis 2008 in Mainz Leiter einer Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsgruppe. 2007 wurde er Direktor und wissenschaftliches Mitglied des MPI für Kernphysik in Heidelberg. Seit 2008 ist er zudem Honorarprofessor an der Universität Heidelberg.

Präzisionsmessungen der magnetischen Eigenschaften des Elektrons haben in der Entwicklung der Quantenelektrodynamik (QED) eine wichtige Rolle gespielt. So hatte man 1947 für das magnetische Moment des Elektrons einen geringfügig größeren Wert gemessen, als von der Dirac-Theorie vorhergesagt wurde. Diese Diskrepanz konnte erst die QED ausräumen. Das magnetische Moment μ und der Spin s des Elektrons erfüllen die Gleichung μ = g ∙ μB∙s/ħ , wobei μB das Bohrsche Magneton ist. Für den dimensionslosen g-Faktor des Elektrons ergaben die seither durchgeführten Messungen immer genauere Werte, die mit den Resultaten von immer umfangreicheren QED-Berechnungen übereinstimmten.

Bekanntlich wirkt sich bereits die Interaktion des Elektrons mit dem Vakuum auf den g-Faktor aus. Ist das Elektron indes an einen Atomkern gebunden, so führt dessen starkes elektrisches Feld dazu, dass sich der Zahlenwert des g-Faktors deutlich ändert. Den g-Faktor eines Elektrons in solch einem wasserstoffähnlichen, stark geladenen Ion haben Dipl.-Phys. Sven Sturm, Dipl.-Phys. Anke Wagner und Prof. Dr. Klaus Blaum vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg mit hoher Präzision gemessen. Für ihre Arbeit erhielten sie den Helmholtz-Preis 2012.

Die von Anke Wagner und Sven Sturm im Rahmen ihrer Dissertationen durchgeführten Experimente griffen auf ein von Heinz-Jürgen Kluge und Günter Werth in Mainz entwickeltes Verfahren zurück. Dabei wurde ein stark gekühltes und 13-fach geladenes Silizium-28-Ion, dem somit nur ein Elektron verblieben war, in einer Penning-Falle mit elektrischen und magnetischen Feldern in einem sehr guten Vakuum festgehalten.

Während das Ion, das die Masse M und die Ladung q hatte, im Magnetfeld B eine Zyklotronbewegung mit der Frequenz fC = q ∙ B/(2πM) durchführte, präzedierte das magnetische Moment des Elektrons im B-Feld mit der Larmor-Frequenz fL = g ∙ µB ∙ B/h. Indem die Forscher die Zyklotron- und die Larmor-Frequenz maßen, konnten sie aus deren Quotienten den g-Faktor ermitteln: g = (2fLfc) ∙ q ∙ m/ (e ∙ M ). Die Zyklotron-Frequenz wurde anhand der Spiegelladungsströme gemessen, die das kreisende Ion in den Elektroden der Penning-Falle hervorrief. Um die Larmor-Frequenz zu ermitteln, bestrahlten die Forscher das Ion mit Mikrowellen, deren Frequenz sie veränderten.

Dabei beobachteten sie, bei welcher Frequenz Resonanz auftrat und der Elektronenspin sich umkehrte. Hatte solch ein Spin-Flip stattgefunden, so ließ sich dies daran erkennen, dass die longitudinalen Oszillationen, die das Ion in der Penning-Falle längs der Magnetfeldlinien ausführte, ihre Frequenz geringfügig änderten. Die so ermittelte Resonanzfrequenz stimmte mit der Larmor-Frequenz überein. Die drei Wissenschaftler erhielten für den g-Faktor das Resultat: g = 1,995 348 958 mit einer Unsicherheit von wenigen 10–10, das hervorragend mit dem Ergebnis der QED-Berechnungen übereinstimmte. Damit waren die Messungen so empfindlich, dass sie den Einfluss der Atomkerngröße auf das magnetische Moment des Elektrons aufspüren konnten. Die QED hat somit auch diesen bisher strengsten Test erfolgreich bestanden.

Literatur

S. Sturm et al.: g Factor of Hydrogenlike 28Si13+. Phys. Rev. Lett. 107, (2011), 023002

Sven Sturm, Günter Werth und Klaus Blaum: Electron g-factor determinations in Penning traps. Ann. Phys. (Berlin) 525, (2013), 620