Экспериментально подтверждена возможность коллапса атомов

При этом выяснилось, что некоторые нюансы этого процесса не вполне понятны с точки зрения современной физической теории.

Положительный заряд ядра и отрицательный — электрона находятся в состоянии баланса, оттого электрон на ядро не падает и не улетает от него. И всё-таки при определённых условиях этот баланс должен нарушаться, то есть электрон обязан в прямом смысле валиться на ядро, вызывая безвременную кончину атома. Но даже из того факта, что планеты, звёзды и люди всё же существуют, очевидно, что происходит это лишь при весьма специфических условиях. Такое состояние наступает при заряде ядра (то есть количестве протонов в нём) выше 137 (недавние вычисления подняли эту цифру до 170), и тогда теоретически электрон должен не просто упасть на ядро, а породить там своих двойников из антимира — позитроны, которые затем улетят в окружающее пространство и натворят всякого.

Искусственное ядро атома, состоящее из пяти димеров кальция на графене, в электронном облаке, находящемся на границе коллапса (здесь и ниже илл. M. Crommie).

«Такие атомы, как ожидалось, сколлапсируют, "забрав" электрон из вакуума, притянув его к ядру и получив избыточный заряд,» — поясняет Леонид Левитов из Массачусетского технологического института (США), один из авторов новой работы, посвящённой этой теме.

Казалось бы, отличное предположение — в том смысле, что крепко неопровержимое: ядра атомов выше 118 у нас пока не получается ни в природе найти, ни создать искусственно. Уже много лет физики надеются взять твердыню если не измором, то хитростью. Поскольку таких тяжёлых элементов достать не удаётся, сходного эффекта пытаются добиться, сталкивая два ядра (например, урана с атомным номером 92) на устроителях частиц. «Такие эксперименты проводились десятилетиями», — комментирует ситуацию г-н Левитов. Но, конечно, ясного свидетельства коллапса атома не было.

Поэтому авторы рассматриваемой работы предложили использовать новую хитрость для симулирования такого коллапса. В графене — одноатомной в толщину решётке из атомов углерода — электроны, в силу необычной топологии этого материала, ведут себя как безмассовые частицы, хотя на самом деле масса у них есть. Однако двигаются они со скоростями намного меньшими, чем настоящие безмассовые частицы. А значит, состояния, формально сходные с коллапсами атомов, с участием таких электронов можно вызвать при во столько же раз меньшем заряде ядра.

В качестве заменителей атомных ядер физики использовали пары атомов (димеры) кальция на графеновой подложке. Используя как манипулятор сканирующий туннельный микроскоп, они получили чёткие свидетельства события, полностью аналогичного коллапсу ядер атомов.

Нормальный электрон вокруг нормального ядра (как те, из которых состоим мы с вами) и ультрарелятивистские электроны вокруг неустойчивого сверхкритического ядра.

Как только три таких димера оказались достаточно близко друг к другу, окружающее поле электронов показало специфический спектр резонансов, точно совпадавших с теми, что десятилетие назад были предсказаны для коллапса атома. Наблюдавшиеся резонансы сохранялись и для искусственных «ядер атомов» из четырёх и пяти димеров.

Хотя идея эксперимента была в том, чтобы подтвердить давние квантовомеханические предсказания относительно коллапса атомов, приложения у неё могут быть в меру практическими. Во-первых, как оказалось, так можно изучить многие свойства графена, который сейчас активно продвигается на роль материала для электроники. Во-вторых, такая чувствительность искусственных «атомов» на графене позволяет надеяться на использование подобных структур как детекторов химических и биомаркеров.

Однако кое-что в итогах опыта не вполне ясно. Удаление заряда от такого искусственного «ядра» давало реакцию окружающих электронов, очень отличающуюся от того, что случалось, когда заряд, напротив, добавляли. С точки зрения квантовой механики ничего такого не предсказывалось. «Это значит, что там происходит что-то, чего мы не понимаем», — считает Леонид Левитов.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science.

Подготовлено по материалам MIT News.