A hélium atomokban felfedezett Efimov-állapot Kötés, amelynek nem szabad léteznie
Ha három fizikai objektum bonyolult kölcsönhatását kívánja leírni, akkor gyorsan szembe kerül a matematikai korlátokkal. Minden csillagásznak, aki megpróbálta kiszámítani három égitest pályáját, ezt fel kellett ismernie. Olyan híres matematikusok, mint Euler, Lagrange és Poincaré is eltörték a fogukat a három test problémáján. Tehát nagy meglepetés volt, amikor 1970-ben az orosz teoretikus, Vitalij Efimov bemutatott egy kvantumfizikai háromtestes rendszert, amelyet meglepően könnyű kiszámítani. Eszerint három részecskének képesnek kell lennie gyengén kötött állapotok kialakítására, bár párokban nem tudnak kötést kialakítani egymással.
Ami azonban kezdetben elméletileg egyszerűnek hangzott, az a kísérleti fizikusok számára rendkívül kemény diónak bizonyult. Több mint harminc évbe telik, amíg az osztrák fizikusok rendkívül hideg és speciálisan előkészített cézium atomokban találnak bizonyítékot a titokzatos kvantumállapotról. Azóta egyre több kutató szenteli magát ennek az egzotikus hármasnak. A Frankfurt am Main-i fizikusok most először fedezték fel a törékeny Efimov-állapotot nemesgázmolekulákban egy gázsugárban.
Az Efimov-államok iránti érdeklődés azért is olyan nagy, mert mind az erősen kölcsönhatásba lépő protonokban és neutronokban, mind a belőlük kialakult atommagokban, mind azokban a molekulákban detektálhatóknak kell lenniük, ahol az elektromágneses erő dominál. A seattle-i Washingtoni Egyetemen dolgozó Vitalij Efimov eredetileg az atommagok egzotikus állapotainak felkutatását javasolta. Eddig azonban a keresés hiábavaló volt ott, valamint a triatomikus héliummolekulákkal is, amelyeket szintén forró jelöltekként kereskedtek. Mindenesetre a speciális triásznak csak a bozonok között, vagyis a belső tulajdonságaik miatt a lehető legközelebb eső részecskék között kell lennie, ami alacsony hőmérsékleten nagyon hangsúlyos.
Cézium atomok a nulla pont szélén
Kilenc évvel ezelőtt Rudi Grimm és munkatársai, az Innsbrucki Egyetem profitált ebből, amikor a bozon-cézium atomokban egzotikus triádot figyeltek meg, amelyet lézerfénnyel abszolút nullára hűtöttek. Az atomokat egy speciális csapdába zárták, ahol kezdetben hagyták, hogy finoman ütközzenek egymással. Diatomiás céziummolekulák keletkeztek a folyamat során. Ezután változó mágneses teret alkalmaztunk a két partner közötti távolság fokozatos növelésére. Mielőtt a molekulák szétesnének, egy harmadik cézium atomhoz kapcsolódnak. Ily módon számos olyan triatomikus molekula jött létre, amely megfelelt Efimow három részecske állapotának minden feltételének. Élettartamuk azonban csak a másodperc töredéke volt.
Az Innsbruck úttörő munkája óta az Efimov-hatás megtalálható más mélyhűtött alkáli atomokban is. De eddig minden erőfeszítés sikertelen volt a háromatomos héliummolekulákkal. Ok: Rendkívül nehéznek bizonyult nagy mennyiségű nemesgáz-molekula előállítása, amelyek a hélium-4 izotóp három atomjából állnak, izolálni őket és bizonyítani a törékeny Efimov-állapot létezését. A Reinhard Dörner és Maksim Kunitski által vezetett kutatók a frankfurti Goethe Egyetemről mára minden kísérleti akadályt leküzdtek, és stabil Efimov rendszert hoztak létre háromatomos hélium-4 atomokkal.
A kamera repülés közben lefagyasztja az ionokat
A fizikusok először hűtött héliumgázt engednek egy fúvókán keresztül egy vákuumkamrába. Ott a gázsugár jelentősen kibővült és lehűlt. Ennek eredményeként három vagy több atomból álló héliummolekulák is kialakultak. A különböző méretű aggregátumok elválasztása érdekében a kutatók egy speciális tömegspektrométert használnak, amelyet Jan Peter Toennies-szel a göttingeni Max Planck Áramláskutató Intézetben dolgozó fizikusok fejlesztettek ki kifejezetten a héliumgáznyaláb-kísérletekhez. Mivel a héliummolekuláknak nincs töltése és nincs mágneses nyomatéka, ezeket nem lehet hagyományos módon manipulálni elektromos és mágneses terekkel, és így hagyományos tömegspektrométerekkel vizsgálni. Toennies és munkatársai ezért finomszemű rácsot használtak tömegspektrométerként kísérleteikhez. A bejövő hélium részecskék eltérnek a rácson levő méretüktől függően. Ily módon Dörner kutatóinak sikerült elválasztaniuk a három atomból álló héliumrészecskéket a megmaradt héliumatomoktól.
A molekulák szerkezetének és különösen kötési távolságainak mérése érdekében a kutatók rövid lézerimpulzusokat irányítottak az elválasztott hélium trimerekre. Ez hármas pozitív töltésű molekulát eredményezett, amelyek az erős elektrosztatikus taszítás miatt azonnal szétváltak. Egy speciális spektrográf segítségével a kutatók ezután követni tudták a keletkező héliumionok pályáit, és pontosan meg tudták mérni energiájukat és impulzusukat, rekonstruálva ezzel a trimerek méretét és geometriáját.
Óriási molekula héliumból
Amikor a mérési eredményeket összehasonlították Doerte Blume teoretikusának a Washingtoni Állami Egyetem számításával, kiderült, hogy Efimov-államok valóban léteztek a molekuláris sugárban, amely látszólag "természetesen" kifejlődött. Ezek egyszerűen izgatott hélium-trimerek voltak, amint a tudósok a "Science" folyóiratban beszámolnak róla. A szóban forgó háromatomos héliummolekulák kötési távolsága tíz nanométer és több volt, ami hatalmas kiterjedés a molekulák területén. Tipikus 0,2 nanométeres átmérővel a normál vízmolekulák ehhez képest egyenesen aprók.
Az izgatott trimer felépítése szintén meglepte a kutatókat. A három héliumatom egy lapos, meglehetősen aszimmetrikus háromszöget alkot. Míg két atom meglehetősen közel van, addig a harmadik messze van egymástól. Az alapállapot teljesen más: ott az alkotóelemek nem alkotnak rendezett struktúrát, inkább egyfajta felhőben zümmögnek egymás körül.
A természet felfedi titkait
„Ez az első felfedezett stabil Efimov-rendszer. A három részecskés rendszer minden további kölcsönhatás nélkül repül a vákuumkamrában ”- mondja Dörner. „Elképesztő, hogy a hélium atomok továbbra is kötődnek egymáshoz, annak ellenére, hogy kívül esnek a kölcsönös vonzerőn. Normál molekulákkal és atommagokkal ez inkább hasonlít a szokásos táncokhoz: a partnerek karjaik elérhető távolságában mozognak és szorosan fogják egymást. "Az általunk lefényképezett Efimov-állítás jobban hasonlítható három egyéni táncoshoz, akik végtelenül nagy táncparketten mozognak, és csak vizuálisan érintkeznek, de mégis lazán maradnak együtt" - folytatja Dörner. „De mi az a„ vizuális érintkezés ”az atomokkal? Honnan tudják az atomok, hogy nem szabad szétszóródniuk, ha a kötőerők révén elvesztették az érintkezésüket? Kvantummechanika nélkül ezt nem lehet megérteni. ”Vitalij Efimov számára, aki gratulált a frankfurti kutatóknak a felfedezésükhöz, az Anyatermészet itt felfedte egyik legnagyobb titkát.
Az efimovi állapot azonban nem egzotikus speciális eset, hanem egy univerzális kvantumhatás példája, amely láthatóan fontos szerepet játszik a fizika számos területén ”- magyarázza Maksim Kunitski. Számos jelzést találtak Efimov-állapotokra az atomfürtökben, a kisebb atommagokban és még a szilárdtestfizikai rendszerekben is. Ezen kívül vannak első jelentések a biológia jelentőségéről is.