В этой науке ультрахолодной химии есть подраздел, посвященный «состояниям Ефимова», названный в честь российского физика Виталия Ефимова. В 1970 году он предсказал, что при некоторых условиях все двухчастичные связанные состояния будут нестабильными, в то время как (как это ни парадоксально) могут существовать некоторые трехчастичные состояния. Такие состояния в конечном итоге были обнаружены экспериментально в 2006 году среди атомов цезия.Два ученых из Объединенного квантового института сформулировали универсальную теорию для описания свойств этих состояний Ефимова, теорию, которая впервые не требует дополнительных настраиваемых неизвестных параметров.
Это должно позволить физикам предсказывать скорость химических процессов с участием трех атомов — или даже больше — используя только знания действующих сил взаимодействия.Авторы JQI, Yujun Wang и Paul Julienne, публикуют свои результаты в журнале Nature Physics.
Пикоэлектронные вольтГосударства Ефимова хрупкие. Их существование зависит от квантовых эффектов и тонкого взаимодействия двух явлений: резонанса Фешбаха и сил Ван-дер-Вааль.
Квантовые эффекты обязательно действуют при ультрахолодных температурах в режиме нанокельвина. Здесь атомы следует рассматривать не как твердые шары, обычно в несколько десятых нанометров в поперечнике, а как волновые пакеты, капли, простирающиеся на сотни нанометров.
Когда мы говорим о сталкивающихся частицах, это обычное дело, когда они представляют собой машины, мчащиеся навстречу друг другу, возможно, встречающиеся лицом к лицу или ускользающие под относительным углом. Более необычно визуализировать столкновение, если «частицы» настолько велики, что перекрывают друг друга на относительно больших расстояниях. Еще более странно, если три такие частицы участвуют во взаимодействии, результатом которого будет слабосвязанная конфедерация.При изучении состояний Ефимова первичной силой, действующей между атомами, является сила Ван-дер-Ваальса, названная в честь голландского физика Йоханнеса Дидерика ван дер Ваальса.
Эта дальнодействующая сила между атомами или молекулами возникает из-за временного появления электрических дипольных моментов в частицах. Даже для нейтрального атома мгновенный дисбаланс зарядов — больше отрицательного заряда атомных электронов может появиться слева, скажем, оставляя положительный перевес справа, — будет представлять собой электрический диполь, который, в свою очередь, может притягивать атом с комплементарной дипольной ориентацией. Эта индуцированная дипольная сила изменяется в шестой степени, обратной величине расстояния между двумя частицами.
Другой способ управления столкновениями между частицами при ультрахолодных температурах — включение внешнего магнитного поля. Для определенных диапазонов напряженности поля две частицы можно уговорить сформировать полустабильные объекты, называемые резонансами Фешбаха, названными в честь американского физика Германа Фешбаха. Резонансы Фешбаха обычно используются в физике холода для управления взаимодействиями, и это особенно верно при изучении состояний Ефимова.Часто резонансы Фешбаха описываются с помощью параметра a, называемого длиной рассеяния, обозначающего эффективное расстояние, на котором происходит взаимодействие. связывание атомов может произойти.
Если a отрицательно, может возникнуть небольшое притяжение двух атомов, но не связывание. Однако если a велико и присутствуют три атома, то может появиться ефимовское состояние. Действительно, таких состояний может быть бесконечное количество.В общем, поскольку он допускает взаимодействия на больших расстояниях, эффект Фешбаха более важен, чем сила Ван-дер-Ваальса.
Но исследование JQI показало, как сила Ван-дер-Ваальса может иметь решающее значение в формировании состояний Ефимова, особенно когда длина рассеяния мала. Многие ученые полагали, что сделать последовательные предсказания взаимодействий, образующих триплет, будет сложно.
Вместо этого модель Ванга-Жюльена успешно включает этот режим коротких расстояний.Таким образом, должна быть серия состояний Ефимова с различными энергиями связи.
Но в отличие от атомов, где квантовые уровни энергии (обозначающие, сколько энергии необходимо для освобождения электрона от его атомной связи) находятся в диапазоне электрон-вольт (эВ), состояния Эфимофа типичны для квантовых энергий миллиардных долей эВ или меньше.Новая теория JQI
Ван и Жюльен строят свою теорию физики Ван-дер-Ваальса с тремя телами на основе уравнения Шредингера, уравнения, введенного Эрвином Шредингером в 1920-х годах, чтобы рассматривать частицы как волны. Только здесь три частицы — рассматриваемые как три набора волн или, скорее, как комплекс волн, представляющих три частицы — тщательно изучаются попарно, чтобы моделировать эффективное составное силовое поле, в котором действуют три частицы.
Результатом является теоретический инструмент, который может предсказать важные свойства Ефимова, а именно энергии состояний Ефимова, ширину этих состояний (по сути, нечеткость наших знаний о точном значении энергии) и скорости, с которыми трехчастичные состояния будут формироваться внутри газа ультрахолодных атомов.«Наша теория работает для всего диапазона длин рассеяния, — сказал Юйцзюнь Ван, описывая работу JQI, — в то время как предыдущие теории могут применяться только к большим длинам рассеяния.
Нам не нужны настраиваемые параметры. известные двухчастичные параметры Фешбаха и наши расчеты с использованием уравнения Шредингера. Таким образом, наша теория не полагается ни на какие из неизвестных трехчастичных входов, которые использовались в предыдущих теориях для соответствия экспериментальным данным.
В этих двух аспектах наша теория больше всеобъемлющий и мощный. Мы можем делать количественные прогнозы, не полагаясь на неизвестные, так что наши результаты можно напрямую сравнивать с экспериментами ».