Электроны несут одинаковый заряд и поэтому отталкиваются друг от друга. Но физики из Киля и Дрездена обнаружили, что при определенных условиях они объединяются в пары в водороде. Это можно увидеть, например, при облучении их рентгеновским светом.
Кредит: Ян Форбергер

Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Он определяет свойства звезд и планет и имеет решающее значение для жизни на Земле — не в последнюю очередь из-за его роли в обеспечении климатически нейтрального энергоснабжения. Поколения ученых в области физики и химии очень интенсивно исследовали водород как в экспериментах, так и с помощью компьютерного моделирования. Несмотря на очень простую структуру — атом водорода состоит только из одного электрона и одного протона — многие свойства до сих пор окончательно не выяснены.

Теперь группа исследователей из Университета Кристиана Альбрехта в Киле (CAU) и Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) предсказала еще одно удивительное свойство водорода: этот элемент проявляет необычное «ротоноподобное поведение» при сжатии под высоким давлением. Это проявляется, например, в том, что рентгеновские лучи необычным образом рассеиваются плотным водородом.

При этом рентгеновские фотоны передают электронам энергию, которая тем больше, чем больше переданный импульс. С другой стороны, в плотном водороде энергия также может уменьшаться по мере увеличения передаваемого импульса. Эти результаты опубликованы в текущем выпуске журнала Physical Review Research и отмечены редакторами как предложение редакции.

Ранее это было обнаружено только в совершенно других системах, например, в экзотических так называемых бозе-жидкостях, близких к абсолютному нулю температуры. Такие жидкости являются сверхтекучими, например, в них происходят квантовые эффекты и они уже не могут быть описаны классической статистической механикой. «Это свойство водорода вызвано электронами, которые не связаны в атомах», — объясняет профессор Майкл Бониц из Института теоретической физики и астрофизики CAU. Он возглавлял исследовательскую группу Киля.

Доктор Тобиас Дорнхейм из HZDR описывает поведение электронов: «Если водород облучается рентгеновскими фотонами определенной длины волны, электроны могут необычно сближаться друг с другом и даже образовывать пары, хотя и отталкиваются друг от друга».

В своем компьютерном моделировании исследовательская группа разработала точные прогнозы, для каких параметров должно наблюдаться такое поведение ротона. Теперь дело за исследователями в области экспериментальной физики, чтобы доказать это на практике.