Из-за существования кулоновского отталкивания между зарядами одного знака в природе не могут существовать молекулы из одних только положительно заряженных ядер. Российские и американские физики решили восполнить такое "упущение" и предложили способ, как удержать вместе положительно заряженные ядра и создать молекулу без электронов.

Рис. 1. Схематическое изображение связывания двух одинаково заряженных частиц a - одномерный случай, линейно поляризованное поле; b - двумерный случай, циркулярно поляризованное поле; c - ловушка, образованная комбинацией двух лазеров - с линейной и циркулярной поляризацией.

Кухулин, герой древнеирландского эпоса, перед важным боем наблюдал, как его противник Фердиад "совершал высоко в воздухе разнообразные, многочисленные, блистательные, удивительные приемы ловкости". Не соревнуясь с эпическими героями, каждый из нас может попробовать продемонстрировать "прием ловкости", попытавшись как можно дольше удержать карандаш или любую длинную палочку на кончике пальца. Хотя палочка находится в положении неустойчивого равновесия, за счет "компенсирующих" движений пальца в принципе можно удерживать ее достаточно долго. С образа циркача, удерживающего палочку на кончике пальца, и начинается статья, посвященная образованию молекул без электронов [1].

Отличие идеи физиков из МГУ и университета Ватерлоо состоит в том, что они предлагают "связывать" заряды одного знака (ядра без электронов), и удержать их как раз в основном за счет динамических поправок к эффективному потенциалу. Схематически принцип создания "искуственной молекулы" иллюстрирует рис.1; упрощенно можно представить себе происходящее так. Частицы находятся "ловушке", созданной электрическими полями двух лазеров - линейно поляризованным (вдоль одной оси) и циркулярно поляризованным (в перпендикулярной этой оси плоскости). Быстро движущаяся по траектории, определяемой быстро осциллирующим электрическим полем, легкая частица (принципиально важно, чтобы два связываемых вместе ядра имели разное отношение заряда к массе) как бы окружает более тяжелую частицу "заряженным цилиндром", что мешает той приблизиться к стенке цилиндра (в этом случае на нее действуют нескомпенсированные кулоновские силы, стремящиеся вернуть ее в центр области). Правда, изображенная упрощенная схема не в состоянии отразить ключевого момента предложения ученых, так как только усредненный по времени потенциал не в состоянии удержать ядра вместе (см. рис. 2a).

Рис. 2. a - вероятность найти частицы, локализованные в малом начальном объеме ловушки, в случае чисто кулоновского взаимодействия (Coulomb explosion), усредненного по времения потенциала (UKH) и при учете динамических поправок (Full calc.) при определенных параметрах лазерных полей; b - d - состояние метастабильной системы после 400 фс; цвета обозначают фазу волнового пакета, яркость - амплитуду.

Исследователи для примера рассмотрели возможность создания "молекулы" HD²⁺, состоящей из протона и дейтрона (ядра атома дейтерия). Расчеты показывают, что при соответствующем подборе длин волн и мощностей лазеров оказывается возможным довольно долго - сотни фемтосекунд - удерживать протон и дейтрон вместе. Для того, чтобы обеспечить существование такого относительно долгоживущего метастабильного состояния HD²⁺, требуется применение достаточно мощных фемтосекундных лазеров - плотность мощности излучения в области ловушки должна быть порядка 10¹⁸ Вт/см². В настоящее время такие плотности мощности уже достижимы (см., например, нашу новость о "настольной" физике высоких энергий ), так что создание "безэлектронных молекул", возможно, уже не за горами.

Возможность создания "молекул" из ядер в сочетании с возможностями фемтосекундной лазерной техники вообще открывает довольно заманчивую перспективу контролируемым с субфемтосекудной точностью образом организовать высокоэнергетичные столкновения ядер.

1. Olga Smirnova, Michael Spanner, Misha Ivanov. Phys.Rev.Lett., v.90, 243001 (2003).

Е.Онищенко