O legătură care nu ar trebui să existe

Dacă doriți să descrieți interacțiunea complicată a trei obiecte fizice, vă confruntați rapid cu limitele matematice. Toți astronomii care au încercat să calculeze orbitele a trei corpuri cerești au trebuit să recunoască acest lucru. Matematicieni celebri precum Euler, Lagrange și Poincaré și-au mușcat dinții de problema celor trei corpuri. Așadar, a existat o mare surpriză când în 1970 teoreticianul rus Vitaly Efimov a prezentat un sistem cu trei corpuri din fizica cuantică, care a fost surprinzător de ușor de calculat. Conform acestui fapt, trei particule ar trebui să poată forma stări slab legate, deși nu pot forma o legătură între ele în perechi.

Totuși, ceea ce inițial părea simplu în teorie, s-a dovedit a fi o piuliță extrem de dură de fisurat pentru fizicienii experimentali. Ar fi trebuit mai mult de treizeci de ani pentru ca fizicienii austrieci să găsească pentru prima dată dovezi ale stării cuantice misterioase a atomilor de cesiu extrem de reci și special pregătiți. De atunci, tot mai mulți cercetători s-au dedicat acestui trio exotic. Acum fizicienii din Frankfurt am Main au descoperit pentru prima dată starea fragilă Efimov în molecule de gaze nobile într-un jet de gaz.

Interesul pentru statele Efimov este atât de mare, nu în ultimul rând, deoarece acestea ar trebui să fie detectabile atât în protoni și neutroni puternic interacționați, cât și în nucleele atomice formate din acestea, precum și în moleculele unde domină forța electromagnetică. Vitaly Efimov, care lucrează la Universitatea Washington din Seattle, a sugerat inițial căutarea stărilor exotice ale nucleilor atomici. Până acum, însă, căutarea a fost în zadar acolo, precum și cu moleculele de heliu triatomic, care au fost, de asemenea, comercializate ca candidați fierbinți. În orice caz, triada specială ar trebui să fie posibilă numai între bosoni, adică între particulele care se apropie cât se dorește datorită proprietăților lor intrinseci, care este foarte pronunțată la temperaturi scăzute.

Atomi de cesiu la marginea punctului zero

Cu nouă ani în urmă, Rudi Grimm și colegii săi de la Universitatea din Innsbruck au beneficiat de acest lucru atunci când au observat triada exotică din atomii de boson cesiu care au fost răcite la zero absolut cu lumina laser. Atomii au fost închiși într-o capcană specială, unde li s-a permis inițial să se ciocnească ușor unul de celălalt. În acest proces s-au format molecule diatomice de cesiu. Un câmp magnetic variabil a fost apoi folosit pentru a crește treptat distanța dintre cei doi parteneri. Înainte ca moleculele să se destrame, acestea s-au legat de un al treilea atom de cesiu. În acest fel, s-au format numeroase molecule cu trei atomi care îndeplinesc toate condițiile stării de trei particule a lui Efimow. Cu toate acestea, durata lor de viață a fost doar o fracțiune de secundă.

De la lucrarea de pionierat de la Innsbruck, efectul Efimov a fost găsit și în alți atomi alcalini înghețați. Dar până acum toate eforturile nu au avut succes cu moleculele de heliu cu trei atomi. Motivul: s-a dovedit a fi extrem de dificil de generat și izolat molecule de gaze nobile, care constau din trei atomi ai izotopului heliu-4, în cantități mari și pentru a demonstra existența stării fragile Efimov. Cercetătorii conduși de Reinhard Dörner și Maksim Kunitski de la Universitatea Goethe din Frankfurt au depășit acum toate obstacolele experimentale și au creat un sistem Efimov stabil cu atomi de heliu-4 cu trei atomi.

O cameră îngheață ioni în zbor

Fizicienii au lăsat mai întâi să curgă gaz rece de heliu printr-o duză într-o cameră de vid. Acolo jetul de gaz s-a extins și s-a răcit considerabil. Acest lucru a dus, de asemenea, la formarea de molecule de heliu formate din trei sau mai mulți atomi. Pentru a separa agregatele de dimensiuni diferite unul de altul, cercetătorii folosesc un spectrometru de masă special dezvoltat de fizicienii care lucrează cu Jan Peter Toennies la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Fluxului din Göttingen special pentru experimente pe fascicule de gaz de heliu. Deoarece moleculele de heliu nu au încărcare și niciun moment magnetic, ele nu pot fi manipulate în mod convențional cu câmpuri electrice și magnetice și astfel examinate cu spectrometre de masă convenționale. Toennies și colegii săi au folosit, așadar, o grilă cu ochiuri fine ca spectrometru de masă pentru experimentele lor. Particulele de heliu primite sunt deviate în grade diferite, în funcție de mărimea lor pe grilă. În acest fel, cercetătorii lui Dörner au reușit să separe particulele de heliu, care constau din trei atomi, de atomii de heliu rămași.

Pentru a măsura structura moleculelor și, în special, distanțele lor de legătură, cercetătorii au îndreptat impulsuri laser scurte către trimeriile de heliu separate. Acest lucru a produs molecule cu încărcare pozitivă triplă care s-au rupt imediat din cauza repulsiei electrostatice puternice. Folosind un spectrograf special, cercetătorii au putut apoi să urmărească traiectoria ionilor de heliu rezultați și să le măsoare cu precizie energiile și impulsurile, reconstituind astfel dimensiunea și geometria trimerelor.

O moleculă uriașă făcută din heliu

Când rezultatele măsurătorilor au fost comparate cu calculele teoreticianului Doerte Blume de la Universitatea de Stat din Washington, a devenit clar că statele Efimov au existat de fapt în fasciculul molecular, care aparent a apărut „natural”. Acestea erau pur și simplu trimere de heliu excitate, așa cum relatează oamenii de știință în revista „Science”. Distanțele de legătură ale celor trei molecule atomice de heliu în cauză au fost de zece nanometri și mai mult, ceea ce reprezintă o expansiune uriașă în domeniul moleculelor. Cu un diametru tipic de 0,2 nanometri, moleculele de apă normale sunt de-a dreptul minuscule în comparație.

Structura trimerului excitat a surprins, de asemenea, cercetătorii. Cei trei atomi de heliu formează un triunghi plat, destul de asimetric. În timp ce doi atomi sunt destul de apropiați, al treilea este departe. Starea de bază este complet diferită: acolo constituenții nu formează o structură ordonată, ci mai degrabă bâzâie unul în jurul celuilalt într-un fel de nor.

Natura își dezvăluie secretele

„Acesta este primul sistem stabil Efimov descoperit. Sistemul cu trei particule zboară în camera de vid fără nicio altă interacțiune ”, spune Dörner. „Este uimitor că atomii de heliu rămân legați unul de celălalt, chiar dacă sunt în afara atracției lor reciproce. Cu molecule normale și nuclei atomici, este mai mult ca dansuri standard: partenerii se mișcă la îndemâna brațelor și se țin strâns. „Statul Efimov pe care l-am fotografiat este mai comparabil cu trei dansatori individuali care se mișcă pe un ring de dans infinit de mare și au doar contact vizual, dar rămân în continuare liberi împreună”, continuă Dörner. „Dar ce este„ contactul vizual ”cu atomii? De unde „atomii știu că nu li se permite să se împrăștie la vânt odată ce au pierdut contactul prin forțele de legare? Nu puteți înțelege asta fără mecanica cuantică. ”Pentru Vitaly Efimov, care i-a felicitat pe cercetătorii de la Frankfurt pentru descoperirea lor, Mama Natură a dezvăluit aici unul dintre cele mai mari secrete ale sale.

Cu toate acestea, statul Efimov nu este un caz special exotic, ci un exemplu de efect cuantic universal care aparent joacă un rol important în multe domenii ale fizicii ”, explică Maksim Kunitski. Numeroase indicații pentru statele Efimov au fost găsite și în grupuri atomice, în nuclee atomice mai mici și chiar în sisteme de fizică în stare solidă. În plus, există și primele rapoarte despre importanța sa în biologie.