Стан Єфімова виявив в атомах гелію зв’язок, який не повинен існувати
Якщо ви хочете описати складну взаємодію трьох фізичних об’єктів, ви швидко стикаєтесь з математичними межами. Усі астрономи, які намагалися обчислити орбіти трьох небесних тіл, повинні були це визнати. Такі відомі математики, як Ейлер, Лагранж і Пуанкаре, також розбили зуби щодо проблеми трьох тіл. Тож відбувся великий сюрприз, коли в 1970 році російський теоретик Віталій Єфімов представив систему з трьох тіл з квантової фізики, яку було напрочуд легко розрахувати. Відповідно до цього три частинки повинні мати можливість утворювати слабо зв’язані стани, хоча вони не можуть утворювати зв’язок між собою попарно.
Однак те, що спочатку в теорії звучало просто, виявилося надзвичайно міцним горіхом для фізиків-експериментаторів. Щоб австрійські фізики вперше знайшли докази таємничого квантового стану надзвичайно холодних і спеціально підготовлених атомів цезію, знадобилося б більше тридцяти років. З тих пір все більше дослідників присвячують себе цим екзотичним тристороннім стосункам. Зараз фізики з Франкфурта-на-Майні вперше виявили крихкий стан Єфімова в молекулах благородного газу в струмені газу.
Інтерес до станів Єфімова настільки великий не в останню чергу тому, що вони повинні бути виявлені як у сильно взаємодіючих протонах і нейтронах, так і в атомних ядрах, утворених з них, і в молекулах, де домінує електромагнітна сила. Віталій Єфімов, який працює в університеті Вашингтона в Сіетлі, спочатку пропонував шукати екзотичні стани атомних ядер. Проте поки що пошук там був марним, як і триатомні молекули гелію, які також продавались як гарячі кандидати. У будь-якому випадку спеціальна тріада повинна бути можлива лише між бозонами, тобто між частинками, які наближаються настільки близько, наскільки це бажано через їх внутрішні властивості, що дуже виражено при низьких температурах.
Атоми цезію на краю нульової точки
Дев'ять років тому Руді Грімм та його колеги з Університету Інсбрука отримали від цього користь, спостерігаючи екзотичну тріаду в атомах цезону бозону, охолоджену до абсолютного нуля лазерним світлом. Атоми були зафіксовані в спеціальній пастці, де спочатку їм було дозволено м'яко зіткнутися один з одним. У процесі цього утворювались двоатомні молекули цезію. Потім за допомогою змінного магнітного поля поступово збільшували відстань між двома партнерами. Перш ніж молекули розпалися, вони зв’язалися з третім атомом цезію. Таким чином було створено численні триатомні молекули, які відповідали всім умовам тричастинного стану Єфімова. Однак тривалість їхнього життя складала лише частку секунди.
З часів піонерської роботи в Інсбруку ефект Ефімова був виявлений і в інших глибоко заморожених атомах лугів. Але досі всі зусилля були безуспішними з триатомними молекулами гелію. Причина: виявилось надзвичайно складно отримати великі кількості молекул благородного газу, які складаються з трьох атомів ізотопу гелію-4, виділити їх та довести існування крихкого стану Єфімова. Дослідники на чолі з Рейнхардом Дернером та Максимом Куніцьким з Університету Гете у Франкфурті тепер подолали всі експериментальні перешкоди і створили стабільну систему Єфімова з триатомними атомами гелію-4.
Камера заморожує іони в польоті
Спочатку фізики пустили холодний газ гелію через сопло у вакуумну камеру. Там струмінь газу значно розширювався і охолоджувався. Це також призвело до утворення молекул гелію, що складаються з трьох і більше атомів. Для того, щоб відокремити агрегати різних розмірів один від одного, дослідники використовують спеціальний мас-спектрометр, який був розроблений фізиками, що працюють з Яном Пітером Тенієсом з Інституту Макса Планка з досліджень потоків в Геттінгені, спеціально для експериментів на газових пучках гелію. Оскільки молекули гелію не мають заряду і магнітного моменту, ними не можна маніпулювати звичайним способом за допомогою електричних і магнітних полів і таким чином досліджувати їх за допомогою звичайних мас-спектрометрів. Тому Тенніс та його колеги використовували дрібноячеїсту сітку як мас-спектрометр для своїх експериментів. Частки гелію, що надходять, відхиляються в різному ступені залежно від їх розміру на сітці. Таким чином, дослідникам навколо Дернера вдалося відокремити частинки гелію, які складалися з трьох атомів, від інших атомів гелію.
Для того, щоб виміряти структуру молекул і, зокрема, їх відстань зв'язку, дослідники спрямовували короткі лазерні імпульси на відокремлені гелієві тримери. Це утворювало потрійні позитивно заряджені молекули, які негайно розпадалися через сильне електростатичне відштовхування. Потім за допомогою спеціального спектрографа дослідники змогли простежити траєкторії утворених іонів гелію і точно виміряти їх енергію та імпульси, тим самим відновивши розміри та геометрію тримерів.
Гігантська молекула з гелію
Коли результати вимірювань порівняли з розрахунками теоретика Дерте Блюм з Університету штату Вашингтон, стало ясно, що держави Єфімова насправді існували в молекулярному пучку, який, очевидно, виник "природним шляхом". Це були просто збуджені гелієві тримери, про що вчені повідомляють у журналі "Science". Відстань зв'язку трьох атомних молекул гелію, про які йде мова, становила десять нанометрів і більше, що є величезним розширенням в області молекул. З типовим діаметром 0,2 нанометра, нормальні молекули води абсолютно крихітні в порівнянні.
Структура збудженого тримера також здивувала дослідників. Три атоми гелію утворюють плоский, досить асиметричний трикутник. Хоча два атоми досить близькі, третій - далеко один від одного. Базовий стан зовсім інший: там складові не утворюють впорядкованої структури, а навпаки, гудуть один біля одного в якійсь хмарі.
Природа розкриває свої таємниці
«Це перша виявлена стабільна система Єфімова. Тричастинна система летить у вакуумній камері без будь-якої подальшої взаємодії », - говорить Дернер. «Дивовижно, що атоми гелію залишаються зв’язаними один з одним, навіть не зважаючи на те, що вони перебувають поза їх взаємним притяганням. З нормальними молекулами та атомними ядрами це більше схоже на звичайні танці: партнери рухаються в межах досяжності своїх рук і міцно тримають один одного. "Єфімов стверджує, що ми сфотографувались, порівнянніше з трьома окремими танцюристами, які рухаються на нескінченно великому танцполі та мають лише візуальний контакт, але все ще вільно тримаються разом", - продовжує Дернер. «Але що таке« візуальний контакт »з атомами? Звідки «атоми знають, що їм не дозволяється розсіюватися на вітрі, коли вони втрачають контакт через сили зв’язування? Ви не можете зрозуміти цього без квантової механіки ». Для Віталія Єфімова, який привітав франкфуртських дослідників з відкриттям, мати-природа відкрила тут одну з своїх найбільших таємниць.
Однак стан Єфімова - це не екзотичний приватний випадок, а приклад універсального квантового ефекту, який, мабуть, відіграє важливу роль у багатьох областях фізики », - пояснює Максим Куніцький. Численні вказівки на стан Єфімова також були знайдені в атомних скупченнях, в менших атомних ядрах і навіть у системах фізики твердого тіла. Крім того, є також перші повідомлення про його значення в біології.