Състояние на Ефимов, открито в атоми на хелий Връзка, която не би трябвало да съществува
Ако искате да опишете сложното взаимодействие на три физически обекта, бързо се сблъсквате с математически ограничения. Всички астрономи, които се опитаха да изчислят орбитите на три небесни тела, трябваше да разпознаят това. Известни математици като Ойлер, Лагранж и Поанкаре също са си счупили зъбите по проблема с три тела. Така че имаше голяма изненада, когато през 1970 г. руският теоретик Виталий Ефимов представи система от три тела от квантовата физика, която беше изненадващо лесна за изчисляване. Според това три частици трябва да могат да образуват слабо свързани състояния, въпреки че не могат да образуват връзка помежду си по двойки.
Онова, което първоначално звучеше просто на теория, обаче се оказа изключително трудна ядка за експерименталните физици. Повече от тридесет години ще отнеме на австрийските физици да намерят за първи път доказателства за мистериозното квантово състояние на изключително студените и специално подготвени атоми на цезий. Оттогава все повече изследователи са се посветили на тази екзотична тройка. Сега физици от Франкфурт на Майн за първи път откриха крехкото състояние на Ефимов в молекули благороден газ в газова струя.
Интересът към състоянията на Ефимов е толкова голям, не на последно място, защото те трябва да бъдат откриваеми както в силно взаимодействащи протони и неутрони, така и в атомните ядра, образувани от тях, и в молекули, където електромагнитната сила доминира. Виталий Ефимов, който работи във Вашингтонския университет в Сиатъл, първоначално предлага да се търсят екзотичните състояния на атомните ядра. Досега обаче търсенето беше напразно там, както и с триатомни молекули на хелий, които също се търгуваха като горещи кандидати. Във всеки случай, специалната триада трябва да е възможна само между бозони, т.е. между частици, които се доближават толкова, колкото се желае поради техните присъщи свойства, което е силно изразено при ниски температури.
Цезиеви атоми на ръба на нулевата точка
Преди девет години Руди Грим и колегите му от Университета в Инсбрук се възползваха от това, когато наблюдават екзотичната триада в атомите на бозий цезий, охладени до абсолютна нула с лазерна светлина. Атомите бяха заключени в специален капан, където първоначално им беше позволено внимателно да се сблъскат един с друг. В процеса се образуват двуатомни цезиеви молекули. След това се използва променливо магнитно поле за постепенно увеличаване на разстоянието между двамата партньори. Преди молекулите да се разпаднат, те се свързват с трети цезиев атом. По този начин се образуват множество молекули с три атома, които отговарят на всички условия на състоянието на три частици на Ефимов. Продължителността на живота им обаче беше само частица от секундата.
След пионерската работа от Инсбрук ефектът на Ефимов е открит и в други дълбоко замразени алкални атоми. Но досега всички усилия са били неуспешни с триатомни хелиеви молекули. Причината: Оказа се изключително трудно да се произвеждат големи количества молекули благороден газ, които се състоят от три атома на изотопа хелий-4, да се изолират и да се докаже съществуването на крехкото състояние на Ефимов. Изследователите, водени от Райнхард Дьорнер и Максим Куницки от университета Гьоте във Франкфурт, вече са преодолели всички експериментални препятствия и са създали стабилна система на Ефимов с три-атомни атоми хелий-4.
Камера замразява йони в полет
Първо физиците оставят студен хелий газ да тече през дюза във вакуумна камера. Там газовата струя се разширява и охлажда значително. Това също е довело до образуването на хелиеви молекули, съставени от три или повече атома. За да разделят агрегатите с различни размери един от друг, изследователите използват специален масспектрометър, разработен от физици, работещи с Ян Питър Тонис от Института за изследване на потока Макс Планк в Гьотинген специално за експерименти върху газови лъчи от хелий. Тъй като хелиевите молекули нямат заряд и магнитен момент, те не могат да бъдат манипулирани по конвенционалния начин с електрически и магнитни полета и по този начин да бъдат изследвани с конвенционални масспектрометри. Поради това Toennies и колегите му използваха решетка с фини мрежи като масспектрометър за своите експерименти. Входящите хелиеви частици се отклоняват в различна степен в зависимост от техния размер в решетката. По този начин изследователите на Дьорнер успяха да отделят хелиевите частици, състоящи се от три атома, от останалите хелиеви атоми.
За да измерват структурата на молекулите и по-специално разстоянията на връзката им, изследователите насочват къси лазерни импулси към отделените хелиеви тримери. Това произвежда тройни положително заредени молекули, които веднага се разпадат поради силното електростатично отблъскване. След това с помощта на специален спектрограф изследователите успяха да проследят траекториите на получените хелиеви йони и точно да измерват техните енергии и импулси, като по този начин реконструират размера и геометрията на тримерите.
Гигантска молекула, направена от хелий
Когато резултатите от измерванията бяха сравнени с изчисленията на теоретик Дерте Блум от Вашингтонския държавен университет, стана ясно, че състоянията на Ефимов действително са съществували в молекулярния лъч, който очевидно е възникнал „естествено“. Това бяха просто възбудени хелиеви тримери, както учените съобщават в списание "Science". Разстоянията на връзка на въпросните три атомни хелиеви молекули са били десет нанометра и повече, което представлява огромно разширяване в сферата на молекулите. С типичен диаметър от 0,2 нанометра, нормалните водни молекули са направо малки в сравнение.
Структурата на възбудения тример също изненада изследователите. Трите хелиеви атома образуват плосък, доста асиметричен триъгълник. Докато два атома са съвсем близо, третият е отдалечен. Основното състояние е съвсем различно: там съставните части не образуват подредена структура, а по-скоро бръмчат една около друга в някакъв облак.
Природата разкрива своите тайни
„Това е първата открита стабилна система на Ефимов. Тричастичната система лети във вакуумната камера без допълнително взаимодействие “, казва Дьорнер. „Удивително е, че атомите на хелий остават свързани помежду си, въпреки че са извън взаимното им привличане. При нормалните молекули и атомните ядра това е по-скоро като стандартни танци: партньорите се движат в обсега на ръцете си и се държат здраво. „Ефимов заявява, че снимахме, е по-сравнимо с трима индивидуални танцьори, които се движат на безкрайно голям дансинг и имат само визуален контакт, но въпреки това остават спокойни“, продължава Дьорнер. „Но какво е„ визуален контакт “с атомите? Как „атомите знаят, че не трябва да се разпръскват на всички ветрове, след като загубят контакт чрез свързващите сили? Не можете да разберете това без квантовата механика. ”За Виталий Ефимов, който поздрави изследователите от Франкфурт за откритието им, майката природа разкри една от най-големите си тайни тук.
Състоянието на Ефимов обаче не е екзотичен специален случай, а пример за универсален квантов ефект, който очевидно играе важна роля в много области на физиката “, обяснява Максим Куницки. В атомните клъстери, в по-малките атомни ядра и дори в системите на физиката на твърдото тяло са открити множество индикации за състоянията на Ефимов. Освен това има и първи доклади за неговото значение в биологията.