Физики предложили схему получения спин-поляризованной метастабильной материи

Немецкие физики предложили схему получения спин-поляризованной метастабильной материи. Для этого необходимо смешивать пучок ионов с пучком водорода, все электронные спины которого выстроены вдоль одного направления. Такие атомы смогут накапливать огромное количество энергии, а также будут создавать очень большое магнитное поле. Исследование опубликовано в Atoms.

Электроны — это фермионы. Два электрона не могут находиться в одинаковых состояниях. В случае многоэлектронного атома это заставляет электроны распределяться по орбитам с различными квантовыми числами. Одним из этих чисел оказывается проекция полуцелого спина электрона, способная принимать лишь два значения +1/2 и –1/2.

Электроны крайне неохотно дают излучению переворачивать свои спины. Например, основное состояние атома гелия содержит два электрона на 1s оболочке с противоположно направленными спинами, формируя синглетное состояние ¹S₀. Физики называют такой гелий парагелием. Если же каким-то образом (например, ударно) возбудить один из электронов с переворотом его спина, то он надолго (примерно на 8 × 10³ секунд) застрянет в метастабильном триплетном состоянии ³S₁ в конфигурации 1s2s (ортогелий). Распад ортогелия может произойти ударно, либо за счет редких двухфотонных или магнитно-дипольных переходов.

Консервативный характер спиновой проекции электрона побудил физиков к рассуждениям о спин-полязированной метастабильной материи, состоящей из атомов, у которых все или достаточно много электронов имеют одинаковое спиновое квантовое число. В таких атомах придется возбудить множество электронов, поскольку исключение одной из проекций спина уменьшит количество нижних вакантных уровней. Это означает, что количество энергии, которую сможет запасти атом, сильно вырастет. В числе прочего из спин-поляризованного азота могла бы состоять шаровая молния.

Концепция спин-поляризованных атомов подразумевает, что на внутренних оболочках многоэлектронных атомов появятся вакансии. Такие «пустые» атомы, как правило, рождаются в медленных ион-атомных столкновениях, а затем за пикосекунды релаксируют через оже-процесс или излучение рентгеновских фотонов. Обычно экспериментаторы не интересуются спиновой структурой электронных оболочек в этих процессах. Известно единственное исследование, в котором переворот спина одного электрона, возбужденного из внутренних оболочек, увеличил время жизни «пустых» атомов до наносекунд.

Хорст Шмидт-Бёкинг (Horst Schmidt-Böcking) и Гернот Грубер (Gernot Gruber) из Франкфуртского университета решили разобраться в том, как поведет себя множество электронов с одинаковой проекцией спина. Из общих соображений им стало ясно, что с ростом числа таких электронов энергетический барьер для переворота их спинов должен возрастать из-за очень сильного внутреннего магнитного поля. Однако процесс многократного возбуждения должен быть очень быстрым (не более микросекунды), чтобы до образования сильного поля атом не успел распасться.

Для количественных оценок физики обратились за консультацией к своим коллегам, специализирующихся на расчете конфигурации многократно возбужденных ионов или атомов. Оказалось, однако, что существующие теории не способны рассчитать переходы в столь сильных магнитных полях, которые, например, создают электроны с суммарным спиновым числом, равным девяти. Теоретики, тем не менее, подтвердили их предположение о том, что рост поля должен замораживать релаксацию, но посчитали маловероятным, что это время будет достаточно большим для повседневных приложений, например, для накопления энергии.

Чтобы стимулировать теоретическую работу в этом направлении, авторы предложили экспериментальную схему получения метастабильных спин-поляризованных атомов. Для этого сначала нужно создать пучок ионов с таким зарядом, чтобы его основное состояние обладало максимальным спиновым числом. Современные источники на основе электронного циклотронного резонанса позволяют производить большое количество различных ионов в широком диапазоне зарядов.

Затем с помощью магнита следует смешать ионный пучок с пучком спин-поляризованного водорода, который физики также умеют создавать. По оценкам авторов 10-сантиметровой длины совместного распространения достаточно, чтобы ионы перетянули на себя электроны с водорода. Часть из них перевернет спин, что приведет к образованию нейтральных атомов с разной степенью спин-поляризации. Чтобы их разделить, исследователи предлагают установить на их пути селектор, сортирующий атомы по спину с помощью эффекта Штерна — Герлаха. Максимально спин-поляризованный пучок должен отклоняться сильнее всего.

Авторы описали детали этого процесса применительно к ионам криптона и урана. В первом случае лучше всего использовать 13-кратную ионизацию, поскольку в этом случае незаполненной остается лишь половина 3d оболочки. По правилам Хунда это приводит к суммарному спину S, равному 5/2, при нулевом орбитальном моменте. Поглощение тринадцати спин-поляризованных электронов доведет это значение до 9. В случае с ураном лучше использовать 69-кратную ионизацию. Так можно будет получить S, равный 37.

По оценкам физиков, энергия, заточенная в одном максимально спин-поляризованном атоме урана, может превышать 30 килоэлектронвольт, что на четыре порядка превышает аналогичные показатели у обычных батарей. Другим интересным свойством таких атомов станет сильное магнитное взаимодействие атомов, которое может проявить неожиданные электрон-электронные корреляции.

Магнитного упорядочения пучка атомов можно добиться и более известным способом. Недавно мы рассказывали, как физики намагнитили гелиевый газ, переведя его в ридберговское состояние.

Марат Хамадеев