Μποζόνια σχηματίζουν κβαντικές τριάδες - μελέτη της κατάστασης τριών σωμάτων Efimov

Πηγή: PhysicsWeb, 15 Μαρτίου 2007

Ο τρόπος που τα φυσικά αντικείμενα αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο γίνεται πολύ περίπλοκος όταν περιλαμβάνονται περισσότερα από δύο αντικείμενα. Παραδείγματος χάριν, ενώ η θεωρία της βαρύτητας του Νεύτωνα μπορεί να περιγράψει με ποιο τρόπο ένας μόνο πλανήτης μπαίνει σε τροχιά γύρω από τον ήλιο,  οι εξισώσεις είναι αδύνατον να λυθούν ακριβώς εάν προσθέσουμε έναν μόνο παραπάνω πλανήτη στο σύστημα. Τώρα, εντούτοις, φυσικοί στην Αυστρία έχουν επιβεβαιώσει μια σπάνια πρόβλεψη μιας κατάστασης τριών σωμάτων, που ονομάζεται Efimov, σε ένα αέριο υπέρψυχρων ατόμων καισίου.

Δεξιά: Η πυκνότητα πιθανότητας της κατάστασης Efimov σαν συνάρτηση των δύο "υπεργωνιών" που ελέγχουν τη μορφή του τριγώνου των τριών σωματιδίων. Σε αυτήν την εικόνα, η ακτίνα σε οποιαδήποτε κατεύθυνση από το κέντρο του αντικειμένου μετρά την πυκνότητα πιθανότητας του ιδιαίτερου τριγωνικού σχήματος. Οι ακίδες δείχνουν μια κάπως υψηλότερη πιθανότητα για το σύστημα να υπάρχει στους σχηματισμούς, όπου δύο από τα τρία άτομα είναι το ένα κοντά στο άλλο, ενώ το τμήμα του αντικειμένου κοντά στη σφαίρα δείχνει ότι όλες οι άλλες μορφές των τριγώνων εμφανίζονται με πολύ συγκρίσιμες πιθανότητες.

Αυτή η κβαντικά κατάσταση είχε προβλεφθεί πριν 30 χρόνια από το ρώσο φυσικό Vitali Efimov, που αποτελείται από τρία άτομα σε μια χαλαρή διασύνδεση, παρά την απουσία καταστάσεων διασύνδεσης σε οποιαδήποτε άτομα ανά δύο στο σύστημα. Δηλαδή, ενώ ανά δύο απωθούνται αν βρεθούν μαζί και τα τρία έλκονται φτιάχνοντας μια νέα κατάσταση. Αυτή η κατάσταση που την είχε διαισθανθεί ο Efimov, εμφανίζεται μόνο για τα άτομα που είναι μποζόνια, δηλαδή άτομα που έχουν ακέραιες τιμές του σπιν τους. Παρά τις πολυάριθμες αναζητήσεις, εντούτοις, καμιά τέτοια κατάσταση δεν είχε φανεί μέχρι τώρα.

Ο Hanns-Christoph Nägerl του πανεπιστημίου Ίνσμπρουκ έψυξε αρχικά ένα αέριο ατόμων καισίου ακριβώς σε 10 nK . Χρησιμοποίησε έπειτα ένα μαγνητικό πεδίο για να συντονίσει προσεκτικά το "μήκος διασποράς" -- ένα μέτρο της αλληλεπίδρασης -- μεταξύ των ατόμων. Ο έλεγχος του μήκους διασποράς είναι κρίσιμος επειδή η κατάσταση Efimov αναμένεται να σχηματίζεται μόνο σε μήκη μεγαλύτερα από την περιοχή αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο ατόμων. Η ομάδα του Hanns-Christoph Nägerl παρατήρησε ένα συντονισμό της κατάστασης Efimov με ένα μήκος διασποράς περίπου 850a₀, όπου 850a₀ είναι η ακτίνα Bohr  (μια καθιερωμένη μονάδα της απόστασης στην ατομική φυσική, 0,53 Angstroms). Αυτή η τιμή συμφωνεί αρκετά καλά με τις θεωρητικές προβλέψεις.

"Οι καταστάσεις Efimov παρουσιάζουν μια ιδιαίτερα απλή λύση στο πολύ δύσκολο πρόβλημα των τριών σωμάτων", εξηγεί ο Nδgerl. "Ελπίζουμε ότι οι μετρήσεις μας θα προκαλέσουν μια καλύτερη θεωρητική και πειραματική εργασία που θα οδηγήσει σε μια βαθύτερη κατανόηση αυτού του προβλήματος."

Οι ερευνητές ελπίζουν τώρα να επιβεβαιώσουν τα αποτελέσματά τους με τη μέτρηση περισσότερων από ενός συντονισμού Efimov στο πείραμά τους, και να προγραμματίσουν επίσης την μελέτη των ιδιοτήτων της κατάστασης των τριών σωμάτων με μεγαλύτερη λεπτομέρεια.