The Stern-Gerlach Phenomenon According to Classical Electrodynamics

We present a description of the Stem-Gerlach type experiments using only the concepts of classical electrodynamics and the Newton`s equations of motion. The quantization of the projections of the spin (or the projections of the magnetic dipole) is not introduced in our calculations. The main characteristic of our approach is a quantitative analysis of the motion of the magnetic atoms at the entrance of the magnetic field region. This study reveals a mechanism which modifies continuously the orientation of the magnetic dipole of the atom in a very short time interval, at the entrance of the magnetic field region. The mechanism is based on the conservation of the total energy associated with a magnetic dipole which moves in a non uniform magnetic field generated by an electromagnet. A detailed quantitative comparison with the (1922) Stem-Gerlach experiment and the didactical (1967) experiment by J.R. Zacharias is presented. We conclude, contrary to the original Stern-Gerlach statement, that the classical explanations are not ruled out by the experimental data.

Was the Stern-Gerlach Phenomenon Classically Described?

A criticism of a recent article published in this journal, claiming to have reached a classical description of the Stern-Gerlach phenomenon, is presented here. The author of the article, among other mistakes, wrongly writes the total energy of each silver atom and, moreover, presents a nonsensical equation, from which his results and the conclusion of his article are derived.

Development of an experiment for ultrahigh-precision g-factor

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Aufbau eines Experiments zur hochpräzisen Bestimmung des g-Faktors gebundener Elektronen in hochgeladenen Ionen. Der g-Faktor eines Teilchens ist eine dimensionslose Konstante, die die Stärke der Wechselwirkung mit einem magnetischen Feld beschreibt. Im Falle eines an ein hochgeladenes Ion gebundenen Elektrons, dient es als einer der genausten Tests der Quantenelektrodynamik gebundener Zustande (BS-QED). Die Messung wird in einem dreifach Penning-Fallen System durchgeführt und basiert auf dem kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt. Der erste Teil dieser Arbeit gibt den aktuellen Wissensstand über magnetische Momente wieder. Der hier gewählte experimentelle Aufbau wird begründet. Anschließend werden die experimentellen Anforderungen und die verwendeten Messtechniken erläutert. Das Ladungsbrüten der Ionen - einer der wichtigsten Aufgaben dieser Arbeit - ist dargestellt. Seine Realisierung basiert auf einer Feld-Emissions-Spitzen-Anordnung, die die Messung des Wirkungsquerschnitts für Elektronenstoßionisation ermöglicht. Der letzte Teil der Arbeit widmet sich der Entwicklung und dem Aufbau des Penning-Fallen Systems, sowie der Implementierung des Nachweisprozesses. Gegenwärtig ist der Aufbau zur Erzeugung hochgeladener Ionen und der dazugehörigen Messung des g-Faktors abgeschlossen, einschließlich des Steuerprogramms für die erste Datennahme. Die Ionenerzeugung und das Ladungsbrüten werden die nächsten Schritte sein.

Ein Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des gebundenen Elektrons in wasserstoff- und lithiumähnlichen mittelschweren Ionen

In dieser Arbeit werden der experimentelle Aufbau und erste Messungen für die Bestimmung des g-Faktors des Elektrons gebunden in wasserstoff- und lithiumähnlichen mittelschweren Ionen beschrieben. Mit dem hochpräzisenWert des g-Faktors können theoretische Berechnungen der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände überprüft werden. Die Messungen werden in einem Dreifach-Penningfallen-System durchgeführt. Dort wurden im Rahmen dieser Arbeit auch erstmals hochgeladene Ionen bis 28Si13+ in einer hierfür entwickelten Elektronenstrahl-Ionenquelle/-falle erzeugt. Für die Bestimmung des g-Faktors werden die freie Zyklotronfrequenz und die Larmorfrequenz benötigt. Erstere wird aus den drei Eigenfrequenzen des in der Präzisionsfalle gespeicherten Ions berechnet. Um das Ion bei den Messungen nicht zu verlieren, werden die Eigenfrequenzen des Ions durch Kopplung an einen radiofrequenten Nachweisschwingkreis nicht-destruktiv nachgewiesen. Die freie Zyklotronfrequenz konnte dabei mit einer relativen Genauigkeit von wenigen 10E−9 bestimmt werden. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz ist die genaue Kenntnis der Spinrichtung des Elektrons im Magnetfeld notwendig. Diese wird durch den kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt in der sogenannten Analysefalle bestimmt. Hierzu muss eine hohe Stabilität der axialen Frequenz des Ions erreicht werden. Um dies sowie die Hochpräzisionsmessungen in der Präzisionsfalle zu erreichen, wurden in dieser Arbeit beide Fallen hinsichtlich ihrer elektrischen und magnetischen Eigenschaften charakterisiert.

Trapped ion magnetic resonance: concepts and designs

A novel spectroscopy of trapped ions is proposed which will bring single-ion detection sensitivity to the observation of magnetic resonance spectra. The approaches developed here are aimed at resolving one of the fundamental problems of molecular spectroscopy, the apparent incompatibility in existing techniques between high information content (and therefore good species discrimination) and high sensitivity. Methods for studying both electron spin resonance (ESR) and nuclear magnetic resonance (NMR) are designed. They assume established methods for trapping ions in high magnetic field and observing the trapping frequencies with high resolution (<1 Hz) and sensitivity (single ion) by electrical means. The introduction of a magnetic bottle field gradient couples the spin and spatial motions together and leads to a small spin-dependent force on the ion, which has been exploited by Dehmelt to observe directly the perturbation of the ground-state electron's axial frequency by its spin magnetic moment.

A series of fundamental innovations is described m order to extend magnetic resonance to the higher masses of molecular ions (100 amu = 2x 10^5 electron masses) and smaller magnetic moments (nuclear moments = 10^(-3) of the electron moment). First, it is demonstrated how time-domain trapping frequency observations before and after magnetic resonance can be used to make cooling of the particle to its ground state unnecessary. Second, adiabatic cycling of the magnetic bottle off between detection periods is shown to be practical and to allow high-resolution magnetic resonance to be encoded pointwise as the presence or absence of trapping frequency shifts. Third, methods of inducing spindependent work on the ion orbits with magnetic field gradients and Larmor frequency irradiation are proposed which greatly amplify the attainable shifts in trapping frequency.

The dissertation explores the basic concepts behind ion trapping, adopting a variety of classical, semiclassical, numerical, and quantum mechanical approaches to derive spin-dependent effects, design experimental sequences, and corroborate results from one approach with those from another. The first proposal presented builds on Dehmelt's experiment by combining a "before and after" detection sequence with novel signal processing to reveal ESR spectra. A more powerful technique for ESR is then designed which uses axially synchronized spin transitions to perform spin-dependent work in the presence of a magnetic bottle, which also converts axial amplitude changes into cyclotron frequency shifts. A third use of the magnetic bottle is to selectively trap ions with small initial kinetic energy. A dechirping algorithm corrects for undesired frequency shifts associated with damping by the measurement process.

The most general approach presented is spin-locked internally resonant ion cyclotron excitation, a true continuous Stern-Gerlach effect. A magnetic field gradient modulated at both the Larmor and cyclotron frequencies is devised which leads to cyclotron acceleration proportional to the transverse magnetic moment of a coherent state of the particle and radiation field. A preferred method of using this to observe NMR as an axial frequency shift is described in detail. In the course of this derivation, a new quantum mechanical description of ion cyclotron resonance is presented which is easily combined with spin degrees of freedom to provide a full description of the proposals.

Practical, technical, and experimental issues surrounding the feasibility of the proposals are addressed throughout the dissertation. Numerical ion trajectory simulations and analytical models are used to predict the effectiveness of the new designs as well as their sensitivity and resolution. These checks on the methods proposed provide convincing evidence of their promise in extending the wealth of magnetic resonance information to the study of collisionless ions via single-ion spectroscopy.

The g-factor of the electron bound in 28 Si 13+ : the most stringent test of bound-state quantum electrodynamics

This thesis describes the ultra-precise determination of the g-factor of the electron bound to hydrogenlike 28Si13+. The experiment is based on the simultaneous determination of the cyclotron- and Larmor frequency of a single ion, which is stored in a triple Penning-trap setup. The continuous Stern-Gerlach effect is used to couple the spin of the bound electron to the motional frequencies of the ion via a magnetic bottle, which allows the non-destructive determination of the spin state. To this end, a highly sensitive, cryogenic detection system was developed, which allowed the direct, non-destructive detection of the eigenfrequencies with the required precision.rnThe development of a novel, phase sensitive detection technique finally allowed the determination of the g-factor with a relative accuracy of 40 ppt, which was previously inconceivable. The comparison of the hereby determined value with the value predicted by quantumelectrodynamics (QED) allows the verification of the validity of this fundamental theory under the extreme conditions of the strong binding potential of a highly charged ion. The exact agreement of theory and experiment is an impressive demonstration of the exactness of QED. The experimental possibilities created in this work will allow in the near future not only further tests of theory, but also the determination of the mass of the electron with a precision that exceeds the current literature value by more than an order of magnitude.

Detection of individual spin transitions of a single proton confined in a cryogenic Penning trap

Das in dieser Arbeit vorgestellte Experiment zur Messung des magnetischen Moments des Protons basiert auf der Messung des Verhältnisses von Zyklotronfrequenz und Larmorfrequenz eines einzelnen, in einer kryogenen Doppel-Penning Falle gespeicherten Protons. In dieser Arbeit konnten erstmalig zwei der drei Bewegungsfrequenzen des Protons gleichzeitig im thermischen Gleichgewicht mit entsprechenden hochsensitiven Nachweissystemen nicht-destruktiv detektiert werden, wodurch die Messzeit zur Bestimmung der Zyklotronfrequenz halbiert werden konnte. Ferner wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmalig einzelne Spin-Übergänge eines einzelnen Protons detektiert, wodurch die Bestimmung der Larmorfrequenz ermöglicht wird. Mithilfe des kontinuierlichen Stern-Gerlach Effekts wird durch eine sogenannte magnetische Flasche das magnetische Moment an die axiale Bewegungsmode des Protons gekoppelt. Eine Änderung des Spinzustands verursacht folglich einen Frequenzsprung der axialen Bewegungsfrequenz, welche nicht-destruktiv gemessen werden kann. Erschwert wird die Detektion des Spinzustands dadurch, dass die axiale Frequenz nicht nur vom Spinmoment, sondern auch vom Bahnmoment abhängt. Die große experimentelle Herausforderung besteht also in der Verhinderung von Energieschwankungen in den radialen Bewegungsmoden, um die Detektierbarkeit von Spin-Übergängen zu gewährleisten. Durch systematische Studien zur Stabilität der axialen Frequenz sowie einer kompletten Überarbeitung des experimentellen Aufbaus, konnte dieses Ziel erreicht werden. Erstmalig kann der Spinzustand eines einzelnen Protons mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden. Somit stellt diese Arbeit einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einer hochpräzisen Messung des magnetischen Moments des Protons dar.

Neuartige kryogene Penning-Falle für den Nachweis von Spin-Übergängen eines Protons und Bestimmung seines g-Faktors

In dieser Arbeit wird der Entwurf, der Aufbau, die Inbetriebnahme und die Charakterisierung einer neuartigen Penning-Falle im Rahmen des Experiments zur Bestimmung des g-Faktors des Protons präsentiert. Diese Falle zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien eines äußeren homogenen Magnetfeldes durch eine ferromagnetische Ringelektrode im Zentrum der Falle verzerrt werden. Der inhomogene Anteil des resultierenden Magnetfeldes, die sogenannte magnetische Flasche, lässt sich durch den Koeffizient B2 = 297(10) mT/mm2 des Terms zweiter Ordnung der Ortsabhängigkeit des Feldes quantifizieren. Eine solche ungewöhnlich starke Feldinhomogenität ist Grundvoraussetzung für den Nachweis der Spinausrichtung des Protons mittels des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effektes. Dieser Effekt basiert auf der im inhomogenen Magnetfeld entstehenden Kopplung des Spin-Freiheitsgrades des gefangenen Protons an eine seiner Eigenfrequenzen. Ein Spin-Übergang lässt sich so über einen Frequenzsprung detektieren. Dabei ist die nachzuweisende Änderung der Frequenz proportional zu B2 und zum im Fall des Protons extrem kleinen Verhältnis zwischen seinem magnetischen Moment nund seiner Masse. Die durch die benötigte hohe Inhomogenität des Magnetfeldes bedingten technischen Herausforderungen erfordern eine fundierte Kenntnis und Kontrolle der Eigenschaften der Penning-Falle sowie der experimentellen Bedingungen. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Penning-Falle ermöglichte den erstmaligen zerstörungsfreien Nachweis von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen gefangenen Protons, was einen Durchbruch für das Experiment zur direkten Bestimmung des g-Faktors mit der angestrebten relativen Genauigkeit von 10−9 darstellte. Mithilfe eines statistischen Verfahrens ließen sich die Larmor- und die Zyklotronfrequenz des Protons im inhomogenen Magnetfeld der Falle ermitteln. Daraus wurde der g-Faktor mit einer relativen Genauigkeit von 8,9 × 10−6 bestimmt. Die hier vorgestellten Messverfahren und der experimentelle Aufbau können auf ein äquivalentes Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des Antiprotons zum Erreichen der gleichen Messgenauigkeit übertragen werden, womit der erste Schritt auf dem Weg zu einem neuen zwingenden Test der CPT-Symmetrie im baryonischen Sektor gemacht wäre.

HIRFL-CSR实验环内靶系统

兰州重离子加速器冷却储存环 (HIRFL CSR)的内靶系统 ,是用于为实验环内的物理实验提供厚度为 10 11— 10 13 atoms/cm2 的团簇靶和极化靶 .采用超声喷气技术获得团簇粒子束 ,采用Stern Gerlach方法获得极化氢束和极化氘束 .

Der g-Faktor des Protons

In dieser Arbeit wird die bisher präziseste und erste direkte Hochpräzisionsmessung des g-Faktors eines einzelnen Protons präsentiert. Die Messung beruht auf der nicht-destruktiven Bestimmung der Zyklotronfrequenz und der Larmorfrequenz eines in einer Penning-Falle gespeicherten Protons. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz wird die Spin-Flip-Wahrscheinlichkeit als Funktion einer externen Spin-Flip-Anregung aufgenommen. Zu diesem Zweck wird der kontinuierliche Stern-Gerlach Effekt verwendet, welcher zu einer Kopplung des Spin-Moments an die axiale Bewegung des Protons führt. Ein Spin-Flip zeigt sich dabei in einem Sprung der axialen Bewegungsfrequenz. Die Schwierigkeit besteht darin, diesen Frequenzsprung auf einem Hintergrund axialer Frequenzfluktuationen zu detektieren. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurden neuartige Methoden und Techniken angewandt. Zum einen wurden supraleitende Nachweise mit höchster Empfindlichkeit entwickelt, welche schnelle und damit präzise Frequenzmessungen erlauben. Zum anderen wurde eine auf dem statistischen Bayes Theorem basierende Spin-Flip-Analyse-Methode angewandt. Mit diesen Verbesserungen war es möglich, einzelne Spin-Flips eines einzelnen Protons zu beobachten. Dies wiederum ermöglichte die Anwendung der sogenannten Doppelfallen-Methode, und damit die eingangs erwähnte Messung des g-Faktors mit einer Präzision von 4.3 10^-9.

Expected Performance of the ATLAS Experiment - Detector, Trigger and Physics

A detailed study is presented of the expected performance of the ATLAS detector. The reconstruction of tracks, leptons, photons, missing energy and jets is investigated, together with the performance of b-tagging and the trigger. The physics potential for a variety of interesting physics processes, within the Standard Model and beyond, is examined. The study comprises a series of notes based on simulations of the detector and physics processes, with particular emphasis given to the data expected from the first years of operation of the LHC at CERN.

An experiment conducted with a floating trawl net off Cochin

The paper deals with an experiment with a floating trawl net off Cochin, using a pair of curved otter boards and a transducer mounted on the head rope of the net. 32 hauls were made with different towing speeds and warp length keeping one factor constant for varying parameters of the other factor. The working data for 32 hauls are presented and the effect in the fishing depth of the net due to the variation in one factor is mentioned. The 'fishing depth' is indicated in this paper as the distance between the head rope and the bottom. The usefulness of similar experiments with added information on the angle of leading warp at the stern for the exploitation of column fishes in Indian waters is indicated.

Nature's experiment? Handedness and early childhood development

In recent years a large body of research has investigated the various factors affecting child development and the consequent impact of child development on future educational and labour market outcomes. In this article we contribute to this literature by investigating the effect of handedness on a child and given recent research demonstrating that child development strongly affects adult outcomes. Using a large nationally representative sample of young children we find that the probability of a child being left-handed is not significantly related to child health at birth, family composition, parental employment or household income. We also find robust evidence that left-handed (and mixed handed) children perform significantly worse in nearly all measures of development than right-handed children with the relative disadvantage being larger for boys than girls. Importantly these differentials cannot be explained by different socioeconomic characteristics of the household, parental attitudes or investments in learning resources.

An experiment in mixed compilation/interpretation

One of the classic forms of intermediate representation used for communication between compiler front-ends and back-ends are those based on abstract stack machines. It is possible to compile the stack machine instructions into machine code by means of an interpretive code generator, or to simulate the stack machine at runtime using an interpreter. This paper describes an approach intermediate between these two extremes. The front-end for a commercial Modula 2 compiler was ported to the "industry standard PC", and a partially compiling back-end written. The object code runs with the assistance of an interpreter, but may be linked with libraries which are fully compiled. The intent was to provide a programming environment on the PC which is identical to that of the same compilers on 32-bit UNIX machines. This objective has been met, and the compiler is available to educational institutions as free-ware. The design basis of the new compiler is described, and the performance critically evaluated.