Физики научились предсказывать параметры состояния Ефимова

JZoNGRoT3cc1

Создана теоретическая модель, позволяющая предсказать параметры взаимодействия трех атомов в холодных газах – триплетов Ефимова.

На фото: Диаграммы волновой функции (синяя) и энергии сил Ван-дер-Ваальса в трех различных конфигурациях трех атомов: когда они на равном расстоянии, когда два ближе друг к другу, чем третий, и то же, но когда расстояния увеличены

 

Физики из Объединенного квантового института (Joint Quantum Institute) сформулировали универсальную теорию, позволяющую описать свойства состояния Ефимова без использования дополнительных неизвестных параметров. Теория позволяет предсказать энергии состояний Ефимова, их ширину и скорость образования триплетов внутри сверххолодного газа. Статья опубликована в Nature Physics. Коротко о работе можно прочесть на сайте института.

Химические реакции происходят в широком диапазоне температур — от раскаленной магмы до арктических морозов. Однако существует диапазон температур, где до недавнего времени химические реакции считались маловероятными — это уровень нанокельвинов. Тем не менее, последние экспериментальные и теоретические работы показывают, что даже в условиях, близких к абсолютному нулю, атомы могут взаимодействовать и управлять своими химическими связями.

В 1970-х годах советский физик Виталий Ефимов (ныне работающий в Университете штата Вашингтон, США) опубликовал статью, в которой описал состояния, где связи между двумя частицами будут нестабильны, но одновременно парадоксальным образом возникает семейство стабильных связанных состояний малой энергии (при достаточной резонансности парных сил у трех тождественных частиц). По мнению Ефимова, такие состояния, вероятно, могут иметь место для трех бесспиновых нейтральных бозонов.

pIooqKyJMlg1

Состояние Ефимова часто изображают в виде колец Борромео — трех сцепленных колец, ни одно из которых не образует сцепленной пары

До недавнего времени состояние Ефимова было не более чем гипотезой, однако в 2006 году оно было получено в сверхохлажденном газе из атомов цезия. Позже, в 2009 году, физики получили уже не только триплеты — три связанных атома Ефимова, — но и состояния, связывающие четыре атома, а также триплеты из атомов разных веществ — калия и рубидия.

Тем не менее, до настоящего времени не существовало теоретической модели, способной предсказать скорость химических реакций, в которые вовлечены три атома, или использовать знания о взаимодействующих силах в расчетах. Большинство теорий нуждалось в дополнительных, до сих пор неизвестных и уточняемых параметрах. Физикам из Объединенного квантового института удалось преодолеть эти недостатки и создать работоспособную теоретическую модель явления.

Состояние Ефимова очень хрупкое. Его существование зависит от квантовых эффектов и тонкого взаимодействия сил Ван-дер-Ваальса и резонанса Фешбаха. Именно эти феномены легли в основу теоретических построений. Также в своей работе физики использовали уравнение Шредингера.

Сверххолодные газы — идеальная среда для изучения квантовых эффектов. В них атомы — это уже не «жесткие шарики» диаметром в несколько десятых долей нанометра, как в классическом представлении, а, скорее, совокупность волн в виде протяженной капли, размером более сотни нанометров.

Сталкиваясь, такие частицы как бы взаимно покрывают друг друга на относительно больших (для микромира) дистанциях. Если такое столкновение происходит между тремя атомами, то они образуют объединение без обычных химических связей. Это возможно благодаря силам Ван-дер-Ваальса, возникающим при образовании диполей. Два атома с комплементарными диполями могут притягиваться друг к другу.

Другим возможным способом объединения атомов является управление внешним магнитным полем. В определенных случаях две частицы могут формировать полустабильное состояние, называемое резонансом Фешбаха. Его образование и распад связаны с изменением спинового состояния одного из атомов, с чем и связана зависимость от внешнего магнитного поля. Вблизи резонанса (при резонансном значении магнитного поля энергия такого связанного состояния равна энергии двух несвязанных атомов) резко меняется сечение рассеяния атомов.

Для взаимодействий на больших (для микромира) расстояниях эффект Фешбаха более важен, однако, по мнению авторов исследования, именно силы Ван-дер-Ваальса вносят решающий вклад в формирование состояния Ефимова, особенно когда длина рассеяния атомов небольшая. Состояния Ефимова могут возникать в широком диапазоне связанных состояний малой энергии, но в отличие от атомов, где уровни квантовой энергии (энергии, необходимой для освобождения электрона и образования атомной связи) составляют не менее электронвольта, они характеризуются гораздо более слабыми энергиями — на уровне пикоэлектронвольта.

Математическим аппаратом, привлеченным авторами работы для описания взаимодействия трех тел посредством сил Ван-дер-Ваальса, стало уравнение Шредингера, предложенное в 1920-х годах для описания частиц как волн. В данном случае три атома рассматривались как три набора волн — или, точнее, как сложный комплекс волн, представляющих три частицы, однако взаимодействующих между собой попарно. В итоге они дают эффективную констелляцию сил, удерживающих все три частицы вместе.

Построенная теория — важный инструмент для предсказания свойств состояния Ефимова, его энергий, ширины и скорости образования триплетов в сверххолодных газах. Её важным преимуществом являются количественные оценки, выводимые без привлечения ещё точно не определённых параметров.