Research press release


Nature Communications

Physical sciences: Looking at white dwarfs in the lab


高い磁場での原子の振る舞いを解明することは、特に白色矮星との関係で、大きな注目を集めている。白色矮星には、地球上に存在する磁場よりはるかに巨大な磁場が存在すると予測されているからだ。こうした磁場の規模に関する予測を行う際には、モデルを作製して、これらの星からの原子スペクトルと比較しなければならない。また、こうした巨大な磁場における原子をめぐる理論は複雑で、現在利用できる磁場を用いて検証することはできない。今回、B Murdinたちは、リンをシリコンにドープして、この問題を回避した。その結果、シリコン中のリンの原子特性と水素の原子特性の間に単純な相似関係のあることがわかった。そして、Murdinたちは、実験室の磁場でのリン原子のスペクトルと白色矮星上の水素について得られたスペクトルを比較した。この2つのスペクトルは一致しており、数十テスラの磁場のリン原子が、数万テスラの磁場の水素原子のように振る舞うことを示すことが判明した。


An innovative model that mirrors the behaviour of atoms in white dwarfs has been created in a lab, allowing scientists to improve their understanding hydrogen on the surface of high-field magnetic white dwarfs. .The approach, presented in Nature Communications this week, demonstrates the possibility of using readily available materials to model astrophysical phenomena.

Understanding the behaviour of atoms under high magnetic fields is an area of intense interest, particularly when it comes to white dwarf stars, where enormous magnetic fields far in excess of those available on Earth are expected to exist. The scale of these fields must be inferred from models that are compared with the atomic spectra measured from the stars. At the same time, the theory surrounding atoms in such large fields is complex and cannot be tested with available magnetic fields. Benedict Murdin and colleagues circumvent this problem by doping phosphorous into silicon, which shows a simple scaling relation between its atomic properties and those of hydrogen. They then compare the spectrum of the phosphorous atoms under laboratory magnetic fields and with those obtained for hydrogen on white dwarf stars. The agreement between them shows that the phosphorous atoms in a magnetic field of tens of tesla behave as though they were hydrogen atoms in a field of tens of tho usands of tesla.

This solid-state system allows the team to verify the theory of hydrogen in high magnetic field without complex simulations or the unobtainable fields, and demonstrates its use as an analogue for modelling atoms in white dwarf stars in the lab.

doi: 10.1038/ncomms2466

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