Државата Ефимов открила во атомите на хелиум Врската што не треба да постои
Ако сакате да ја опишете комплицираната интеракција на три физички предмети, брзо ќе се судрите со математичките граници. Сите астрономи кои се обиделе да пресметаат орбити на три небесни тела морале да го препознаат ова. Познати математичари како Ојлер, Лагранж и Поинкаре исто така ги скршија забите за проблемот со три тела. Така, се случи големо изненадување кога во 1970 година рускиот теоретичар Виталиј Ефимов претстави систем со три тела од квантната физика што беше изненадувачки лесно да се пресмета. Според ова, три честички треба да можат да формираат слабо врзани состојби, иако не можат да формираат врска едни со други во парови.
Она што првично звучеше едноставно во теорија, се покажа дека е исклучително тврд орев за експерименталните физичари. Би требало повеќе од триесет години за австриските физичари да пронајдат докази за мистериозната квантна состојба во екстремно ладни и специјално подготвени атоми на цезиум. Оттогаш, сè повеќе истражувачи се посветуваат на оваа егзотична тројка. Сега физичарите од Франкфурт на Мајна ја откриле кревката држава Ефимов за прв пат во молекули на благороден гас во гасен млаз.
Интересот за состојбите на Ефимов е толку голем, не само затоа што тие треба да бидат забележливи и во силно интеракција на протони и неутрони и во атомските јадра формирани од нив, и во молекулите каде доминира електромагнетната сила. Виталиј Ефимов, кој работи на Универзитетот во Вашингтон во Сиетл, првично сугерираше да се бараат егзотичните состојби на атомските јадра. Досега, сепак, потрагата беше залудна таму, како и со триатомски молекули на хелиум, кои исто така се тргуваа како жешки кандидати. Во секој случај, специјалната тријада треба да биде можна само помеѓу бозоните, т.е. помеѓу честички што се приближуваат по желба поради нивните внатрешни својства, што е многу изразено при ниски температури.
Атоми на цезиум на работ на нултата точка
Пред девет години, Руди Грим и неговите колеги од Универзитетот во Инсбрук имаа корист од ова кога ја забележаа егзотичната тријада во атоми на бозонски цезиум кои беа ладени на апсолутна нула со ласерска светлина. Атомите биле заклучени во посебна стапица, каде првично им било дозволено нежно да се судрат едни со други. Во тој процес се формирале диатомски цезиум молекули. Потоа се користеше променливо магнетно поле за постепено зголемување на растојанието помеѓу двајцата партнери. Пред да се распаднат молекулите, тие се поврзаа со третиот атом на цезиум. На овој начин се создадоа бројни триатомски молекули кои ги исполнија сите услови на состојбата на три честички на Ефимов. Сепак, нивниот животен век беше само дел од секундата.
Од пионерската работа од Инсбрук, ефектот Ефимов е пронајден и кај други длабоко замрзнати алкални атоми. Но, досега сите напори беа неуспешни со молекулите на триатомски хелиум. Причината: Докажано е дека е крајно тешко да се произведат големи количини на благородни молекули на гас, кои се состојат од три атоми на изотопот хелиум-4, за да се изолираат и да се докаже постоењето на кревката држава Ефимов. Истражувачите предводени од Рајнхард Дарнер и Максим Кунитски од универзитетот Гете во Франкфурт сега ги надминаа сите експериментални пречки и создадоа стабилен систем Ефимов со три-атомски хелиум-4 атоми.
Камера замрзнува јони во лет
Физичарите прво пуштија ладен гас од хелиум низ млазницата во вакуумската комора. Таму гасниот млаз значително се прошири и се олади. Ова резултирало и во формирање на молекули на хелиум составени од три или повеќе атоми. Со цел да се одделат агрегатите со различна големина едни од други, истражувачите користат специјален масовен спектрометар, развиен од физичари кои работат со Јан Питер Тониес во Институтот за истражување на проток „Макс Планк“ во Гатинген, специјално за експерименти врз зраци на гасови од хелиум. Бидејќи молекулите на хелиум немаат полнеж и немаат магнетски момент, тие не можат да се манипулираат на конвенционален начин со електрични и магнетни полиња и на тој начин да се испитаат со конвенционални масени спектрометри. Тонини и неговите колеги користеа фино решеткаста мрежа како масенски спектрометар за своите експерименти. Влезните честички на хелиум се отклонуваат во различни степени во зависност од нивната големина на решетката. На овој начин, истражувачите на Дернер успеале да ги одделат честичките на хелиум, кои се состојат од три атоми, од преостанатите атоми на хелиум.
Со цел да се измери структурата на молекулите и, особено, нивните растојанија на врски, истражувачите насочиле кратки ласерски импулси кон одделените тримери на хелиум. Во тој процес се создадоа тројно позитивно наелектризирани молекули, кои веднаш се распаднаа поради силната електростатска одбивност. Користејќи посебен спектрограф, истражувачите тогаш можеа да ги следат траекторите на добиените јони на хелиум и прецизно да ги измерат нивните енергии и импулси, со што се реконструирани големината и геометријата на тримерите.
Гигантска молекула направена од хелиум
Кога резултатите од мерењето беа споредени со пресметките на теоретичарот Доерте Блуме од Државниот универзитет во Вашингтон, стана јасно дека државите на Ефимов навистина постоеле во молекуларниот зрак, кој очигледно се развил „природно“. Овие беа едноставно возбудени тримери за хелиум, како што известуваат научниците во списанието „Наука“. Растојанијата на врските на трите атомски молекули на хелиум за кои станува збор биле десет нанометри и повеќе, што е огромна експанзија во областа на молекулите. Нормалните молекули на вода, со типичен дијаметар од 0,2 нанометри, се чисто мали во споредба.
Структурата на возбудениот тример ги изненади и истражувачите. Трите атоми на хелиум формираат рамен, прилично асиметричен триаголник. Додека два атома се прилично блиску, третиот е далеку оддалечен. Основната состојба е сосема поинаква: таму состојките не формираат подредена структура, туку зујат едни околу други во еден вид облак.
Природата ги открива своите тајни
„Ова е откриен првиот стабилен систем Ефимов. Системот со три честички лета во вакуумската комора без никаква понатамошна интеракција “, вели Дарнер. „Неверојатно е што атомите на хелиум остануваат врзани едни со други, иако тие се надвор од нивната меѓусебна привлечност. Со нормални молекули и атомски јадра повеќе личи на стандардни танци: партнерите се движат на дофат на рацете и цврсто се држат едни со други. „Државата Ефимов што ја фотографиравме е споредлива со три индивидуални танчери кои се движат на бесконечно голем подиум за танцување и имаат само визуелен контакт, но сепак лабаво остануваат заедно“, продолжува Дарнер. „Но, што е тоа„ визуелен контакт “со атомите? Од каде атомите знаат дека не смеат да се расејуваат на ветрот откако ќе изгубат контакт преку обврзувачките сили? Не можете да го разберете тоа без квантна механика. “За Виталиј Ефимов, кој им го честиташе откритието на истражувачите од Франкфурт, Мајка природа откри една од нејзините најголеми тајни овде.
Сепак, државата Ефимов не е егзотичен посебен случај, туку пример за универзален квантен ефект што очигледно игра важна улога во многу области на физиката “, објаснува Максим Кунитски. Бројни индикации за состојбите на Ефимов се пронајдени и во атомските јата, во помалите атомски јадра, па дури и во системите на физика на цврста состојба. Покрај тоа, постојат и први извештаи за нејзината важност во биологијата.