Звезды подсказали схему компьютера

Исследуя воздействие сверхсильных магнитных полей на структуру молекул звездного вещества, норвежским астрофизикам удалось убить сразу не двух, а трех зайцев. Они выяснили, почему вещество светил не разлетается, открыли новый тип химической связи и поняли, что их исследование пригодится тем, кто занимается разработкой квантовых компьютеров.

Фото:

Проявления солнечной активности происходят в четкой корреляции с циклическими вариациями солнечных магнитных полей. Иерархическая структура магнитных полей Солнца трансформируется за 22 года, "командуя парадом" всех солнечных проявлений. Наше Солнце — спокойная звезда-долгожитель. Но среди звезд есть представители, обладающие гораздо более сильными, а иногда чудовищно мощными магнитными полями.

Ученые пытаются понять, что же будет происходить с веществом в столь сильных магнитных полях? Первые шаги в неизведанной области, возможно, со временем приведут к осуществлению фантастических перспектив — к созданию квантового компьютера.

Искусственный интеллект на квантовых переходах — это мечта ученых и футурологов, пока очень далекая от реального осуществления. Но прогресс в вычислительной технике и компьютерных технологиях уже сильно изменил мир, и скорость этих изменений неуклонно возрастает, ведь лучшее — это враг хорошего. Поэтому следует ожидать, что целенаправленные поиски приведут к рождению качественно нового компьютера, быстродействующего и чрезвычайно миниатюрного.

Читайте также: Внутри Солнца есть магнитный тормоз

Специалисты в области квантовой химии из Университета Осло в Норвегии осуществили моделирование процесса молекулярных связей в мощных магнитных полях с напряженностью 10⁵ Тесла. Следует заметить, что моделирование — это всегда область теоретических изысканий, поскольку реально создать в лабораторных условиях такие поля просто невозможно. Для экспериментаторов достижимы величины лишь в десять тысяч раз меньшие, чем взятые в модельных расчетах.

И эти запредельные для земных условий магнитные поля помогли смоделировать новый тип сильной химической связи, проявляющийся только при их наличии. Условия же для возникновения данного феномена могут быть вполне реальными в атмосферах нейтронных звезд, генерирующих магнитные поля огромной напряженности. Это уже практическое указание к исследованию атмосфер таких звезд, в спектрах которых может содержаться нечто, характеризующее переходы в необычном веществе.

Напомню, что классическая химия предлагает нам всего два класса сильных молекулярных связей. При ионной связи валентные электроны одного атома передаются в "управление" другому атому, более электроотрицательному. При ковалентном взаимодействии происходит объединение валентных электронов в общем использовании. Но то, что получилось в вышеописанном компьютерном эксперименте, что называется, не лезет ни в какие "химические ворота".

Итак, этот необычный третий вариант связей порожден в компьютерном моделировании, которое задает магнитные поля до 10⁵ Тл. Интересно, что прежде никто из ученых не предполагал в данной ситуациии проявления таких молекулярных связей. Публикация норвежских исследователей в журнале Science впервые указала на возможность существования этого типа взаимодействия между молекулами.

Для исследования была выбрана двухатомная молекула водорода. Ученые оценивали возмущения, вносимые в энергию основного состояния этой частицывещества сильным внешним магнитным полем. Напомню,что молекула водорода очень похожа на гантель. В эксперименте элементарная составляющая вещества подобной конфигурации своей продольной осью располагалась по направлению магнитного поля, а межатомная связь стягивала и стабилизировала ее молекулы. Когда в модели был задан энергетический уровень одного из электронов (а их там два), достаточный для разрыва связи в нормальных условиях, то в модельном варианте водородная "гантель" развернулась перпендикулярно направлению магнитного поля и сохранила молекулярную связь.

Так в модельном варианте в мощном магнитном поле был получен новый тип молекулярной связи, удерживающий вместе атомы в виде молекулы, которая должна была расколоться на два атома-обломка. Предположение авторов, объясняющее результат моделирования, состоит в том, что электроны движутся относительно силовых линий магнитного поля (вращаясь вокруг них), и это становится таким же фактором стабилизации химической связи, как и электростатическое притяжение между ядром и электронами для существования атома. В зависимости от своей геометрии молекулы ориентируются так, чтобы электроны вращались вокруг линий мощного внешнего магнитного поля.

Поиски практического смысла приводят к необходимости изучить более тщательно объекты в отдаленных космических пределах: молекулы могут оставаться стабильными при сверхвысоких температурах в атмосферах белых карликов и нейтронных звезд, для которых напряженности магнитных полей как раз соответствуют модельным параметрам. Хотя сегодня ученые не могут наблюдать подобное связанное состояние молекулярного вещества — для этого еще нужно предложить методику таких наблюдений. А открывателям необычной связности атомов в молекулы придется провести глубокое исследование предлагаемой модели, чтобы понять, влияет ли найденное молекулярное состояние на спектральные особенности звезд и как его можно выявить. Математические расчеты часто опережают физические открытия, но их подтверждения экспериментальными данными безусловно важны для практической астрофизики.

На Земле реализовать подобный эксперимент практически невозможно: такое магнитное поле изменит химическую структуру любого вещества в зоне влияния поля, а также сильно подействует на приборы и оборудование эксперимента. Ведь в эксперименте длины связей между атомами в мощном поле должны укорачиваться на 25 процентов. И хоть данные экстремальные условия недостижимы, но тем не менее остается надежда получить важные следствия и в лабораторных экспериментах, расширяя границы познания в области сильного намагничивания вещества. Возможно, такое состояние, исследованное в лабораторных условиях, окажется интересным для практического использования.

Следует заметить, что еще в 2009 году физики получили и определили новое слабосвязанное состояние вещества — молекулы Ридберга. Именно их считают прообразами молекулярных связей для переноса информации в квантовых компьютерах. А поскольку молекулы Ридберга очень чувствительны к магнитным воздействиям, не исключено, что сверхсильные магнитные поля будут востребованы как регуляторы связности молекулярных образований.

Читайте также: Черные дыры станут коллайдерами?

Это, в свою очередь, дает возможность регулировать молекулярные "записи" и сохранять их в квантовой памяти. Что, без сомнения, открывает в будущем новые перспективы в конструировании квантовых компьютеров.