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.

Электронная конфигурация атома азота в основном (слева) и спин-поляризованном (справа) состоянии / Horst Schmidt-Böcking and Gernot Gruber / Atoms, 2022

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.