Физики описали необычную связь между веществом и антивеществом
Физики из Люксембургского университета с помощью высокоточных квантовых расчётов объяснили необычный механизм связи в системе, одновременно содержащей обычное вещество и антивещество. Два позитрона — античастицы электронов — образуют общую молекулярную орбиталь, напоминающую ковалентную связь, однако по своей энергии такая связь оказывается ближе к гораздо более слабому ван-дер-ваальсову взаимодействию.
Исследователи изучали димер гидрида позитрония — систему, состоящую из двух протонов, четырёх электронов и двух позитронов. Гидрид позитрония PsH можно представить как отрицательно заряженный ион водорода, окружённый позитроном. Когда два таких объекта сближаются, возникает связанное состояние, природу которого физики долго не могли однозначно классифицировать. Его описывали как ионное, ковалентное и даже как необычно сильное ван-дер-ваальсово взаимодействие.
В обычной молекуле ковалентная связь возникает, когда атомы совместно используют электроны. В изученной системе ситуация фактически перевёрнута: отрицательно заряженные центры связывает распределение положительно заряженных позитронов.
Расчёты методом квантового Монте-Карло показали, что два позитрона не остаются локализованными возле отдельных гидридных центров. По мере сближения частей системы их распределения объединяются, и возникает единая делокализованная молекулярная орбиталь, охватывающая оба отрицательно заряженных центра. Максимум плотности позитронов при этом формируется между ними.
Дополнительным признаком такого поведения стала реакция системы на внешнее электрическое поле. Два позитрона отвечают на него как единый коллективный диполь. По мнению авторов, именно это указывает на связь, которая по своему квантовому механизму гораздо ближе к ковалентной, чем к обычному ван-дер-ваальсову взаимодействию.
При этом энергия связи остаётся необычно небольшой. Предыдущие расчёты для этого димера давали энергию связывания около 6,5 ккал/моль. Это намного слабее многих обычных ковалентных связей и по порядку величины ближе к межмолекулярным взаимодействиям. Именно сочетание ковалентного механизма с относительно небольшой энергией и делало классификацию системы настолько сложной.
Авторы считают, что ключевую роль здесь играют квантовые корреляции между электронами и позитронами. Простого электростатического притяжения положительных и отрицательных зарядов недостаточно, чтобы объяснить устойчивость системы. При этом картина также не соответствует классическому ван-дер-ваальсову взаимодействию, при котором две части молекулярного комплекса в основном сохраняют собственное распределение заряда.
Полученный результат может иметь более широкое значение для квантовой химии. Исследователи предполагают, что способность образовывать подобные делокализованные «протосвязи» может встречаться не только у позитронов, но и в других системах, где с веществом взаимодействуют античастицы или квазичастицы.
Работа при этом остаётся теоретической. Исследователи не создавали такой димер в лаборатории и не измеряли его связь экспериментально. Выводы основаны на высокоточных квантовых расчётах и анализе распределения частиц и поляризуемости системы.
Исследование в журнале Science Advances.