В этом квантовом явлении, называемом геометрическим масштабированием, трехатомные молекулы вписываются друг в друга, как бесконечно большой набор русских матрешек.«Это новое правило в химии, согласно которому размеры молекул могут следовать геометрическому ряду, например 1, 2, 4, 8…», — сказал Ченг Чин, профессор физики в Калифорнийском университете в Чикаго. «В нашем случае мы находим три молекулярных состояния в этой последовательности, где одно молекулярное состояние всегда в 4,88 раза больше, чем предыдущее».Чин и четыре члена его исследовательской группы опубликовали свои выводы 9 декабря 2014 года в Physical Review Letters.
«Квантовая теория делает неизбежным существование этих гигантских молекул при условии создания надлежащих — и довольно сложных — условий», — сказал Ефимов, ныне работающий в Вашингтонском университете.Команда из Чикаго наблюдала три молекулы в этой серии, состоящие из одного атома лития и двух атомов цезия, в вакуумной камере при ультрахолодной температуре около 200 нанокельвинов, что составляет крошечную долю градуса выше абсолютного нуля (минус 459,6 градуса по Фаренгейту).Бесконечно большие молекулы
Учитывая бесконечно большую Вселенную, количество все более крупных молекул в этой цезий-литиевой системе также может увеличиваться до бесконечности. Эта замечательная идея проистекает из экзотической природы квантовой механики, которая соответствует иным законам физики, нежели те, которые управляют Вселенной в макроскопическом масштабе.«Это определенно экзотические молекулы», — сказал Ши-Куанг Тунг, научный сотрудник Северо-Западного университета, который возглавляет проект. Только при строгих условиях Тунг и его коллеги смогли увидеть геометрический масштаб в своих молекулах Ефимова.
Похоже, что ни двухатомные, ни четырехатомные молекулы не могут достичь ефимовского состояния. «Есть особый случай для трех атомов», — сказал Чин.Ефимов отреагировал на исследование двояко. «Во-первых, я поражен предсказательной силой квантовой теории», — сказал он. «Во-вторых, меня поражает мастерство экспериментаторов, которым удалось создать эти сложные условия».
Открытие важно, потому что оно показывает, что молекулы Ефимова, как и другие сложные явления в природе, подчиняются простому математическому правилу. Еще один пример в природе, который демонстрирует геометрическое масштабирование, — снежинки, корни которых лежат в микроскопической физике их гексагональной кристаллической структуры.Группа из Инсбрукского университета в Австрии, в которую входил Чин, в 2006 году экспериментально наблюдала первое молекулярное состояние Ефимова в молекулах, состоящих из трех атомов цезия.
В этом состоянии Ефимова три атома цезия запутываются при температурах чуть выше абсолютного нуля. Они образуют борромео кольцо из трех взаимосвязанных кругов. Однако любые два из них не будут соединяться.Чин переключил свой интерес на молекулы лития-цезия в 2010 году, потому что наблюдение геометрического масштабирования в системе цезия представляло серьезные экспериментальные трудности.
Коэффициент масштабирования«Сложность заключается в том, что, исходя из того, что мы понимаем в теории Ефимова, коэффициент масштабирования для цезиевой системы прогнозируется равным 22,7, что является очень большим числом», — пояснил Чин, который также является членом организации Джеймс Франк и Энрико Ферми из Калифорнии в Чикаго. институты. Масштабирование при таком большом значении требует чрезвычайно низкой температуры, которую сложно достичь экспериментально.Но коэффициент масштабирования трехатомной молекулы литий-цезий, по прогнозам, будет более управляемым, равным 4,8. Действительно, после постановки эксперимента «Мы смогли увидеть троих из них при более доступной температуре 200 нанокельвинов», — сказал Чин. «Их размеры составляют 17, 86 и 415 нанометров соответственно.
Они точно следуют геометрической прогрессии с предсказанным коэффициентом масштабирования».Но даже литий-цезиевая система представляла проблему: значительно различающиеся массы двух элементов, что было критично для наблюдения нескольких состояний Ефимова. Литий — один из самых легких элементов в таблице Менделеева, в то время как цезий довольно тяжелый. «Один действительно огромен по сравнению с другим», — сказал Танг.Он сравнил использование обоих элементов в ультрахолодном эксперименте с подвешиванием обезьяны и слона на пружинах.
Они будут висеть на разных уровнях, но им все равно нужно взаимодействовать.В ходе эксперимента физики из Чикаго понизили температуру атомов лития и цезума по отдельности, а затем соединили их вместе, чтобы сформировать трехатомные молекулы Ефимова.«Это очень сложный эксперимент», — сказал Тунг, для которого требуется ультрахолодный экспериментальный инструмент, называемый резонансом Фешбаха. Проведенный в магнитном поле резонанс Фешбаха позволил исследователям связывать и контролировать взаимодействия между атомами цезия и лития.
Холодными атомами можно манипулировать через резонанс Фешбаха, который позволяет наблюдать геометрическое масштабирование. «Резонанс Фешбаха — действительно важный инструмент для нас», — сказал Тунг. Он и его соратники научились эффективно владеть этим инструментом за последние три года.«Нам нужно было очень тщательно настроить резонансы Фешбаха, чтобы получить эти молекулы Ефимова», — сказал Тунг.Усилия увенчались успехом экспериментов.
Ефимов сказал, что благодаря результатам он почувствовал себя родителем успешного ребенка. «Родитель гордится достижениями ребенка, и он также гордится тем, что в некотором смысле он является частью успеха ребенка».Финансирование: Национальный научный фонд и Управление армейских исследований.