Звёзды не дают молекулам распадаться

Предсказано существование в магнитном поле белых карликов ранее неизвестного механизма связывания…

Оказывается, именно магнетизм может быть тем самым секретом, который гарантирует крепость «брачных» уз между атомами в звёздной атмосфере. Компьютерное моделирование показало, что ранее неизвестный тип сильной химической связи, по-видимому, индуцируется чудовищными магнитными полями светил.

Если что-то подобное удастся воспроизвести в лабораторных условиях, «намагниченное вещество», вероятно, можно было бы использовать для создания вожделенного квантового компьютера.


Белый карлик и его магнитное поле (иллюстрация Science).

Современная химическая наука различает лишь два класса по-настоящему сильных молекулярных связей. Это ионная связь, при образовании которой валентные электроны одного атома передаются в «управление» другому, более электроотрицательному элементу, и ковалентное взаимодействие, характеризующееся объединением валентных электронов для общего использования обоими атомами. Однако квантовым химикам из Университета Осло (Норвегия) удалось случайно открыть третий механизм связывания. Произошло это во время теоретической симуляции поведения атомов в магнитных полях напряжённостью до 105 Тл, что по меньшей мере в 10 тыс. раз мощнее того поля, которое может быть получено сейчас на Земле. Результаты исследования представлены в журнале Science.

Вначале учёные занимались изучением возмущения, вносимого в энергию основного состояния двухатомной молекулы водорода внешним магнитным полем. Было продемонстрировано, что гантелеобразная молекула самопроизвольно ориентируется по направлению внешнего поля, а межатомная связь становится короче и стабильнее. Когда исследователи задали энергетический уровень одного из электронов (их, напомним, в этой молекуле всего два) достаточным для разрыва связи в нормальных условиях, молекула просто развернулась перпендикулярно полю и продолжила своё существование.

То есть можно говорить, что в данном случае наблюдается новый тип связывания, позволяющий удерживать вместе атомы, которые иначе разлетелись бы в стороны.

Авторы работы рассуждают следующим образом: то, как электроны движутся относительно линий магнитного поля (равно как и их кинетическая энергия), становится настолько же важным фактором для химического связывания, как и электростатическое притяжение между ядром и электронами для существования самого атома. В зависимости от своей геометрии молекулы стараются ориентироваться таким образом, чтобы позволить своим электронам вращаться вокруг направления линий внешнего магнитного поля.

Хорошо, теоретически (к тому же внутри компьютерной программы) можно предположить что угодно. А есть ли у всего этого практический смысл? Оказывается, условия, использовавшиеся для теоретических расчётов, вполне реальны. Не на Земле, конечно, и даже не у Солнца. Молекулы могут оставаться стабильными (связанными) при очень и очень высоких температурах в атмосферах белых карликов и нейтронных звёзд, напряжённости магнитных полей которых как раз находятся в диапазоне проведённой симуляции. Правда, сегодня мы не в состоянии воочию наблюдать подобное состояние вещества. Для этого учёным, открывшим необычное связывание, придётся провести более широкое исследование своей модели, чтобы понять, влияет ли найденное состояние на спектр звёзд каким-либо обнаруживаемым образом. Конечно, теоретически возможная модель вещества и успешная её симуляция — это здорово! Но гораздо важнее понять, насколько это действительно реально для практической астрофизики.

Исходя же из самой модели, её реализация в земных условиях представляется невозможной, поскольку такое магнитное поле будет самым немилосердным образом менять химическую основу всего, что попадёт в зону его влияния, в том числе и само оборудование эксперимента (которое сразу же перестанет таковым быть). Например, длины связей между атомами в таком поле должны укорачиваться на 25%. Но, несмотря на это очевидное препятствие, ничто не может помешать нам мечтать. Так, высказывается надежда на то, что «намагниченное состояние вещества», достижимое в лабораторных условиях, могло бы иметь довольно интересные и важные для практического применения свойства.

В 2009 году физики создали новое слабосвязанное состояние вещества, называемое молекулами Ридберга. Последние, как некоторые полагают, могли бы быть использованы для переноса информации в квантовых компьютерах. Молекулы Ридберга очень чувствительны к магнитным эффектам, а это значит, что магнитные поля могут использоваться для контроля силы связывания, позволяя манипулировать молекулами для записи и сохранения квантовой памяти так, как нам нужно.