Явление атомного коллапса впервые было предсказано в 1930 году, согласно квантовой механике и релятивистской физике, однако никогда прежде не наблюдалось. Для подтверждения явления ученые из Массачусетского технологического института и Калифорнийского университета в Беркли смоделировали «искусственное ядро» на листе графена. Наблюдение не только обеспечивает подтверждение давних теоретических предсказаний, но также может проложить путь к созданию принципиально новых видов электроники на основе графена и для дальнейшего исследования основ физики.

Леонид Левитов, профессор физики из Массачусетского технологического института, сообщил, что эта работа основана на ранних успехах квантовой механики, которые показали, почему обычная материя стабильна. Положительный заряд атомного ядра и отрицательные заряды окружающих электронов уравновешивают друг друга, предотвращая коллапс атома или его разпад.

Но те первые расчеты также показали, что этот баланс должен нарушится после определенной границы — в частности, если заряд ядра больше, чем 137. Согласно теории, в таком супер-заряженном атомном ядре, электроны должны рухнуть в ядро, а затем вытолкнуть из ядра антиматерию — позитроны, которые улетят по спирали наружу. Позже, после уточнения теории было поднято пороговое число от 137 до 170, но основной принцип остался: «Такие атомы должны были сколлапсировать, захватывая электрон из вакуума, притягивая его в ядро», говорит Левитов.

Поскольку известные природные и искуственные элементы пока только достигают атомного номера 118, явление было трудно продемонстрировать экспериментально. Физики пытались показать атомный коллапс в ускорителях частиц, взяв два тяжелых ядра, таких как атомы урана (атомный номер 92) и разбивая их друг об друга. «Эти эксперименты пробовались на протяжении десятилетий», говорит он, однако четкие доказательства атомного коллапса так и небыли найдены.

Но в прошлом году, команда из Беркли и национальной лаборатории Лоренса Беркли продемонстрировали новый метод, который может имитировать тяжелые атомы таким образом, что ими легче управлять и наблюдать за ними. Эти новые результаты являются кульминацией этого исследования.

научная установка
научная установка

Атомы, расположенные на листе графена — двумерной структуры, состоящей из атомов углерода, связанных сетью гексагональных связей — точно имитируют свойства атомных ядер, и ими можно манипулировать для воссоздания и наблюдения сложных атомных явлений. Главное то, что в то время как электроны движутся через графен как релятивистские частицы — как будто они безмассовые, даже если они на самом деле имеют массу — их движение в 300 раз медленнее истинной скорости безмассовых частиц. В результате, ожидаемое явление коллапса должно осуществляться на одной трехсотой нормального ядерного заряда — что помещает его в пределы досягаемости экспериментальных наблюдений.

Для моделирования атомных ядер, ученые использовали пары атомов кальция на поверхности графена, они были в состоянии управлять этими парами (так называемые димеры) с помощью зонда иглы сканирующего туннельного микроскопа. Как только три таких димера были выдвинуты близко друг к другу, окружающие поля электронов показали особый резонансный спектр, который точно соответствует десятилетним прогнозам явления атомного коллапса. Наблюдаемый резонанс сохранялся в четырех-димерных и пяти-димерных искусственных ядрах.

Хотя первоначальным толчком для работы было желание доказать, давно принятую теорию о квантово-механическом поведения атомов, работа имеет не только теоретическое значение. Исследователи во всем мире устроили гонку по созданию электронных устройств на основе графена — материала с уникальной прочностью, гибкостью и электронными свойствами. Поэтому, полученные результаты и экспериментальные методы могут предоставить важную информацию о поведении графена.

Более того, тонкая чувствительность искусственных атомов на поверхности графена делает их невероятно чуткими к окружающим условиям. Это может позволить создать новые типы детекторов следов химических веществ или биомаркеров. Также эта техника будет использоваться для исследования различных конфигураций искусственных атомов — возможно, связывая их в искусственные молекулы — для исследования факторов, важных для фундаментальной физики и химии.

Наряду с подтверждением многолетнего прогноза, во время данного исследования также были получены выводы, которые еще предстоит объяснить. Исследователи обнаружили, что при удалении заряда у ядра происходят иные процессы, не похожие на те, что происходят при добавление заряда. «Это означает, то, что там что-то происходит, то что мы пока не понимаем», говорит Левитов.