Цивилизация
Статья об этой работе опубликована в журнале Physical Review Letters.
При всей своей кажущейся простоте (за которую, кстати, Эйнштейн получил Нобелевскую премию) фотоэффект, заключающийся в том, что фотон, сталкиваясь с атомом, выбивает из него электрон, довольно сложен для изучения, особенно когда в атоме содержится много электронов – подобно задаче многих тел в классической механике, эта квантовая многочастичная задача с большим трудом поддается теоретическому осмыслению. Главным героем здесь поэтому остается эксперимент, однако и в нем есть сложности, мешающие вычленить из экспериментальных данных то, что относится собственно к атомному фотоэффекту, из того, что к нему не относится.
Не в последнюю очередь это касается так называемого углового (или магнитного) момента атомного ядра, который представляет собой квантовый аналог момента импульса в механике классической, то есть произведение импульса частицы (ее масса, умноженная на скорость) на ее расстояние до оси вращения. Каждый протон и каждый нейтрон в ядре имеют свой магнитный момент, и их суммарная составляющая вовсе не обязательно должна равняться нулю. Этот суммарный «остаточек» зачастую драматическим образом влияет на то, как электроны, выбиваемые фотонами, будут вылетать из атома, хотя это влияние и называют «сверхтонким».
Особенно ненулевой магнитный момент ядра путает всю картину, когда атом переведен в возбужденное состояние, а эта ситуация для физиков как раз очень интересна.
Команда семи физиков из Италии, Франции, Германии и России (в частности, из отдела электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер НИИ ядерной физики МГУ), о которой идет речь, выбрала для исследований химический элемент, который физики часто выбирают, пытаясь разобраться в непростых дорогах атомного фотоэффекта, – ксенон. Он удобен для исследования, потому что это инертный газ, который не соединяется в молекулы и не загрязняет установку своими соединениями. Что было еще важнее – из всех инертных газов только у ксенона есть стабильные изотопы с нулевыми и ненулевыми магнитными моментами ядра. И, наконец, ксенон интересен тем, что это атом с большим количеством электронов, который обладает сложной многоэлектронной динамикой.
От эксперимента требовалось разделить масс-спектрометром изотопы ксенона, каждый из них возбудить синхротронным излучением, одновременно расстреливая атомы лазерным пучком с изменяемой длиной волны, а затем регистрировать все вылетающие электроны, сортируя их по энергии и углу вылета.
Но если просто сказать, то сделать значительно труднее.
Приготовление мишеней из возбужденных атомов синхротронным излучением стали проводить в конце 1990-х, но главная сложность заключалась в совмещении лазерного и синхротронного пучков. По словам московского теоретика Алексея Николаевича Грум-Гржимайло, принимавшего участие в исследовании, в мире сегодня эту проблему способны решить лишь несколько человек — и один из них, Михаэль Мейер из Германии (European XFEL GmbH), принял участие в описываемом эксперименте. Сами эксперименты проводились на уникальном пучке с изменяемой поляризацией, поддерживаемом группой Лорана Наона французского синхротрона SOLEIL.
На долю теоретиков из НИИЯФ МГУ – Алексея Грум-Гржимайло и Елены Грызловой, лауреата почетной премии Л'Ореаль — ЮНЕСКО 2012 г. «Для женщин в науке» – досталась непростая задача из цикла «вы рисуйте, я потом, что непонятно, объясню».
Надо было теоретически описать полученные результаты по фотоэффекту на возбужденном атоме ксенона, впервые освобожденном от влияния ядерного магнитного момента. Коллектив из 54 электронов легкой жизни и с самого начала не обещал, но последовательное уточнение предшествующих теоретических моделей в конце концов достигло успеха в описании собственно атомного фотоэффекта. Эта работа, как утверждает Грум-Гржимайло, открывает дорогу целому классу исследований с «выключением» ядерного магнитного момента и сложных атомных процессов с селекцией изотопов, которые прежде даже не обсуждались.
Материал подготовлен отделом науки «Газеты.Ru» и МГУ в рамках сотрудничества с «Фестивалем науки».