Исследователи из Норвегии смоделировали процессы, происходящие в сильном магнитном поле звёзд, и обнаружили новый тип химической связи, которая может присутствовать между атомами только в космосе. Существование связи пока не доказано, однако учёные уже нашли ей возможное практическое применение.
Напомним, что химики признают два типа достаточно крепких химических связей – ковалентная (когда пара электронов делится между атомами) и ионная (когда один атом передаёт свои электроны другому, также образуется электронная пара).
Трюгве Хельгакер (Trygve Helgaker) и его коллеги из университета Осло случайно предсказали существование ещё одного типа подобной связи. Учёные моделировали поведение атомов в сильных магнитных полях, порядка 105 тесла.
Сначала норвежские исследователи проверили, как магнитное поле влияет на основное состояние (самое низкое из разрешённых энергетических состояний) электронов в молекуле, состоящей из двух атомов водорода H2.
Оказалось, что электронное облако молекулы, напоминающее гантелю, ориентировалось вдоль силовых линий поля. Существующая ковалентная связь атомов при этом укорачивалась и стабилизировалась. Далее, когда энергетический уровень одного из электронов достиг значения, при котором связь должна была бы оборваться, произошло неожиданное для химиков событие – молекула перевернулась перпендикулярно полю, атомы остались вместе, как ни в чём не бывало.
"Мы всегда объясняли студентам, что при такой степени возбуждения электрона молекула разваливается. А теперь мы видим, что новый тип связи держит атомы вместе", – говорит Хельгакер.
Поясним. Связь должна была бы оборваться, так как согласно принципу Паули, электроны не могут одновременно занимать одинаковые квантовые состояния. По этой причине в обычных связях электроны создают пары с противоположно направленными спинами.
Однако сильное магнитное поле заставляет спины атомов взаимодействовать с полем, как маленькие магниты, поясняет другой автор работы Кай Ланге (Kai Lange).
В результате спины обоих электронов в паре выравниваются по полю. В обычных условиях это бы привело к развалу молекулы, но в экзотических условиях всё меняется. Связь не только сохраняется, но и крепнет. Учёные назвали такую связь "перпендикулярной парамагнитной".
Исследователи также установили, что подобная связь может образовываться не только между атомами водорода, но и между более тяжёлыми атомами гелия, которые в обычных условиях не связываются вовсе (то есть речь уже идёт не только о новом типе связи, но и о совершенно другой химии).
Атомы держат вместе электроны, орбитали которых ориентированы вокруг силовых линий магнитного поля, поясняет Трюгве. В зависимости от геометрии молекулы поворачиваются таким образом, чтобы движение электронов было согласовано с направлением магнитного поля.
"То, как электроны двигаются относительно поля, их кинетическая энергия, становятся для химической связи таким же важным фактором как электростатические силы, существующие между электроном и ядром", — рассказывает учёный.
Получив такой результат, норвежские химики задумались, могут ли существовать такие связи в природе. В результате в своей статье в журнале Science, они сделали вывод, что нечто подобное можно наблюдать в атмосферах ультраплотных белых карликов или нейтронных звёзд. Эти космические объекты обладают магнитными полями необходимой силы. Правда, пока неизвестно, может ли подобное состояние вещества существовать при высоких температурах.
Как бы то ни было, "поймать" необычные связи будет непросто. Исследователям из университета Осло или их коллегам из других стран придётся выяснить, изменяет ли предсказанный тип химической связи спектр таких светил, и, если всё-таки изменяет, то придумать способ детектирования изменений.
Моделирование – важный шаг, однако необходимы другие доказательства существования такой связи, только в этом случае можно будет говорить о том, что такое явление действительно имеет отношение к астрофизике, пишет Nature.
Что же касается генерации такой связи в лабораторных условиях, то, к сожалению, получить подобное состояние вещества на Земле пока не получится. Во-первых, учёные не научились генерировать столь сильные магнитные поля (нынешний рекорд – 100 тесла). Во-вторых, даже если такой эксперимент можно будет осуществить на практике, экстремальные условия могут привести к тому, что химические связи между атомами укоротятся на 25%, и установку разорвёт на части.
Несмотря на кажущуюся невозможность подобного эксперимента, учёные уже придумали применение "магнетизированному веществу". Свойства такого материала позволяют использовать его в квантовых компьютерах.
В 2009 году физики создали молекулу Ридберга. Её отличие от других молекул в том, что она образуется за счёт электрона, находящегося в высоко возбуждённом состоянии (этот электрон очень сильно удалён от одного из атомов, образующих молекулу).
Как и в случае с новым типом связи взаимодействие атомов сильно зависит от магнитного поля. Учёные предполагают, что такие связи пригодятся в квантовых компьютерах будущего, так как их чувствительность к полю позволит записывать и стирать нужную информацию.
