Анаполи спиновой природы предложили искать в спектрах атома водорода

Британские и сингапурские физики исследовали участие спина в формировании у атомов тороидного дипольного момента (анаполя). Оказалось, что соответствующие переходы обладают уникальными правилами отбора, а, значит, такие спектральные линии можно увидеть в эксперименте. Ученые привели условия, в которых это становится возможным для водорода и водородоподобных атомов. Исследование опубликовано в Science Advances.

Теория электромагнитного взаимодействия с веществом в применении к конкретным задачам очень часто опирается на мультипольное разложение. В его рамках влияние произвольного распределения зарядов даже внутри нейтрального тела представляется в виде суммы вкладов от упорядоченных зарядовых конфигураций: электрических монополей, диполей, квадруполей и так далее. Точно также физики раскладывают токи, бегущие в веществе, формулируя, таким образом, магнитные мультиполи. Исключение составляет магнитный монополь, который физики не нашли (хотя активно ищут).

Однако в 1957 году советский физик Яков Зельдович обратил внимание на то, что статическое мультипольное разложение теряет один специфический класс конфигураций, который может проявить себя лишь в динамическом случае. В частности, токи в теле могут течь вдоль меридианов некоего тора по его поверхности. В этом случае говорят о динамических тороидных моментах или анаполях. Эти конфигурации и по сей день остаются предметом дискуссии среди физиков, хотя ученые обнаружили вклад анаполей в излучении метаматериалов и наночастиц, а также рассматривали их в качестве кандидатов на темную материю или объектов для безызлучательной коммуникации на основе эффекта Ааронова – Бома. Подробнее о последнем вы можете узнать со слов одного из авторов исследования Алексея Башарина.

Исследования динамических тороидных моментов во многом опираются на представление о свете и веществе через призму классического максвелловского магнетизма. Экспериментально это оправдано в силу специфики электрических и магнитных свойств используемых для этого искусственных материалов. Но применительно к атомам и молекулам этот подход не полон, поскольку в них релятивистские квантовые эффекты играют важную роль, выражаясь в наличии у электронов спина.

Чтобы закрыть этот пробел, группа физиков из Великобритании и Сингапура под руководством Николая Желудева (Nikolay Zheludev) из Наньянского технологического университета теоретически выделила во взаимодействии атома с излучением вклад, соответствующий динамическому тороидному моменту спиновой природы. Они показали, что этот элемент будет обладать специфическими правилами отбора, которые можно увидеть даже в экспериментах с водородоподобными атомами.

В классической физике источник магнетизма – это токи, двигающиеся по замкнутой траектории. Релятивистская квантовая механика показала, что у электронов существует дополнительная степень свободы – спин, которая также дает вклад в магнитный момент. Название "спин" происходит из наивной интерпретации спина как собственного вращения заряженной частицы, хотя в строгом смысле это отдельная сущность, которая сопоставляется (складывается и вычитается) с орбитальным движением лишь в терминах угловых моментов.

Орбитальный и спиновый моменты различны также в том, как они формируют атомный магнетизм и насколько восприимчивы к оптическим переходам различной мультипольности. К примеру, электрический дипольный переход, то есть излучение или поглощение за счет процесса, в котором атом представляется исключительно в виде диполя, сопровождается изменением ∆L орбитального момента атома L на единицу (а его проекции m_L на 0 и ± 1), а изменение проекции спинового момента m_s невозможно. Магнитный дипольный переход отличается тем, что его ∆L всегда равно нулю, но m_s может поменяться на единицу. Поскольку электрические дипольные переходы дают существенно больший вклад по сравнению с остальными, спектральные линии, нарушающие их правила отбора, часто называют запрещенными.

Исследуя тороидные дипольные переходы в атоме водорода, физики увидели, что их правила отбора отличаются от таковых для любых иных переходов. В частности изменение орбитального момента в них разрешено на единицу (∆L = ± 1), как в электрическом дипольном, а спинового числа – на ноль и единицу (∆m_s = 0, ± 1), как в магнитном дипольном. Проблема в том, что увидеть такие переходы будет сложно, поскольку они будут маскироваться уже известными спектральными линиями.

Чтобы помочь разрешить их, авторы предлагают использовать сильное (несколько тесла) магнитное поле, которое конкурирует со спин-орбитальным взаимодействием и позволяет разделить атомные уровни по соответствующим квантовым числам. Из их расчетов следует, что новые переходы можно будет явно увидеть, поместив атом водорода в магнитное поле величиной пять тесла и исследуя его переход из 2 в 51 орбиту за счет поглощения света на длине волны 364 нанометра.

Несмотря на то, что новые переходы будут иметь отдельные частоты, их все еще может быть не видно из-за близости традиционных линий, поскольку матричный элемент тороидные дипольного перехода довольно мал. Для борьбы с лишним шумом теоретики предлагают воспользоваться методом частнотно-модулированной спектроскопии, фильтровать сигнал флуоресценции, а также заменить водород на водородоподобный литий, в котором частотные интервалы будут больше. Наконец, новый эффект нечетен относительно инверсии времени. Другими словами, смещение линий будет иметь разный знак при разных направлениях магнитного поля или поляризации света. Это означает, что сигнал следует искать в дифференциальном режиме, постоянно переключая поле.

Несмотря на то, что атомная физика исхожена физиками вдоль и поперек, исследования, подобные тому, что описаны выше, продолжают появляться. Недавно мы рассказывали, как теоретики предложили схему получения спин-поляризованной метастабильной материи, все электроны в которой ориентированы в атомах в одном направлении.