Puto, ktoré by nemalo existovať

Ak chcete opísať komplikovanú súhru troch fyzických objektov, rýchlo narazíte na matematické limity. Všetci astronómovia, ktorí sa pokúsili vypočítať dráhy troch nebeských telies, to museli uznať. Na úlohe troch tiel si zuby zlomili aj slávni matematici ako Euler, Lagrange či Poincaré. Nastalo teda veľké prekvapenie, keď v roku 1970 ruský teoretik Vitalij Efimov predstavil systém troch telies z kvantovej fyziky, ktorý sa dal prekvapivo ľahko vypočítať. Podľa toho by tri častice mali byť schopné vytvárať slabo viazané stavy, hoci nemôžu vytvárať vzájomné väzby vo dvojiciach.

To, čo pôvodne znelo teoreticky jednoducho, sa však pre experimentálnych fyzikov ukázalo ako nesmierne tvrdý oriešok. Trvalo by viac ako tridsať rokov, kým by rakúski fyzici našli dôkazy o tajomnom kvantovom stave v extrémne chladných a špeciálne pripravených atómoch cézia. Odvtedy sa tejto exotickej trojici venuje čoraz viac vedcov. Teraz fyzici z Frankfurtu nad Mohanom prvýkrát objavili krehký štát Efimov v molekulách ušľachtilého plynu v plynovom prúde.

Záujem o štáty Efimov je taký veľký, v neposlednom rade preto, že by mali byť detekovateľné ako u silne interagujúcich protónov a neutrónov, tak z nich vytvorených atómových jadier, ako aj u molekúl, kde dominuje elektromagnetická sila. Vitalij Efimov, ktorý pôsobí na washingtonskej univerzite v Seattli, pôvodne navrhol hľadať exotické stavy atómových jadier. Doteraz tam však bolo márne hľadanie rovnako ako v prípade triatomických molekúl hélia, ktoré sa tiež obchodovali ako horúci kandidáti. Špeciálna triáda by mala byť v každom prípade možná iba medzi bozónmi, to znamená medzi časticami, ktoré sa vzhľadom na svoje vnútorné vlastnosti, ktoré sú veľmi výrazné pri nízkych teplotách, približujú tak blízko, ako je to žiaduce.

Atómy cézia na okraji nulového bodu

Pred deviatimi rokmi z toho profitoval Rudi Grimm a jeho kolegovia z univerzity v Innsbrucku, keď pozorovali exotickú triádu v atómoch bozónu cézia, ktorá bola laserovým svetlom ochladená na absolútnu nulu. Atómy boli uzamknuté v špeciálnej pasci, kde sa im pôvodne umožňovalo jemné vzájomné zrážanie. Pri tomto procese sa vytvorili dvojatómové molekuly cézia. Potom sa použilo variabilné magnetické pole na postupné zväčšovanie vzdialenosti medzi oboma partnermi. Predtým, ako sa molekuly rozpadli, naviazali sa na tretí atóm cézia. Týmto spôsobom sa vytvorili početné triatomické molekuly, ktoré spĺňali všetky podmienky trojfázového stavu Efimowa. Ich životnosť však bola iba zlomok sekundy.

Od priekopníckej práce v Innsbrucku sa Efimov efekt našiel aj v ďalších hlboko zmrazených atómoch alkalických kovov. Všetko úsilie však bolo zatiaľ s trojatómovými molekulami hélia neúspešné. Dôvod: Ukázalo sa, že je mimoriadne ťažké vyrobiť veľké množstvo molekúl vzácneho plynu, ktoré pozostávajú z troch atómov izotopu hélia-4, izolovať ich a dokázať existenciu krehkého stavu Efimova. Vedci pod vedením Reinharda Dörnera a Maksima Kunitského z Goetheho univerzity vo Frankfurte prekonali všetky experimentálne prekážky a vytvorili stabilný systém Efimov s trojatómovými atómami hélia-4.

Kamera zmrazí ióny za letu

Fyzici najskôr nechali prúdiť chladný plyn hélium cez trysku do vákuovej komory. Tam sa plynový prúd značne rozšíril a ochladil. To malo tiež za následok vznik molekúl hélia zložených z troch alebo viacerých atómov. Na oddelenie agregátov rôznych veľkostí od seba vedci používajú špeciálny hmotnostný spektrometer, ktorý vyvinuli fyzici v spolupráci s Janom Peterom Toenniesom z Max Planck Institute for Flow Research v Göttingene špeciálne pre experimenty na lúčoch hélia. Pretože molekuly hélia nemajú náboj ani magnetický moment, nemožno s nimi manipulovať konvenčným spôsobom pomocou elektrických a magnetických polí, a teda ich skúmať pomocou bežných hmotnostných spektrometrov. Toennies a jeho kolegovia preto pre svoje experimenty použili mriežku s jemnými okami ako hmotnostný spektrometer. Prichádzajúce častice hélia sú vychýlené do rôznych stupňov v závislosti od ich veľkosti na mriežke. Týmto spôsobom sa Dörnerovým vedcom podarilo oddeliť častice hélia, ktoré pozostávali z troch atómov, od zvyšných atómov hélia.

Na meranie štruktúry molekúl a najmä ich väzbových vzdialeností zamerali vedci krátke laserové impulzy na oddelené triméry hélia. V procese boli vytvorené trojité kladne nabité molekuly, ktoré sa okamžite rozpadli kvôli silnému elektrostatickému odpudzovaniu. Vedci potom pomocou špeciálneho spektrografu dokázali sledovať trajektórie výsledných iónov hélia a presne merať ich energie a impulzy, čím rekonštruovali veľkosť a geometriu trimérov.

Obria molekula vyrobená z hélia

Pri porovnaní výsledkov merania s výpočtami teoretičky Doerte Blumeovej z Washingtonskej štátnej univerzity vyšlo najavo, že štáty Efimova skutočne existovali v molekulárnom lúči, ktorý zjavne vznikol „prirodzene“. Boli to jednoducho nadšené triméry hélia, ako uvádzajú vedci v časopise „Science“. Väzbové vzdialenosti spomínaných trojatómových molekúl hélia boli desať nanometrov a viac, čo je v oblasti molekúl obrovský rozmach. S typickým priemerom 0,2 nanometra sú normálne molekuly vody v porovnaní s ostatnými úplne malé.

Štruktúra vzrušeného trimera vedcov tiež prekvapila. Tri atómy hélia tvoria plochý, skôr asymetrický trojuholník. Zatiaľ čo dva atómy sú si dosť blízke, tretí je od seba ďaleko. Základný stav je úplne odlišný: zložky tu netvoria usporiadanú štruktúru, ale skôr okolo seba šumia v akomsi oblaku.

Príroda odhaľuje svoje tajomstvá

"Toto je prvý objavený stabilný systém Efimov." Trojčasticový systém letí vo vákuovej komore bez akejkoľvek ďalšej interakcie, “hovorí Dörner. "Je úžasné, že atómy hélia zostávajú navzájom spojené, aj keď sú mimo ich vzájomnej príťažlivosti." S normálnymi molekulami a atómovými jadrami je to skôr ako so štandardnými tancami: partneri sa pohybujú na dosah svojich ramien a pevne sa držia. „Efimovov stav, ktorý sme fotografovali, je porovnateľnejší s tromi individuálnymi tanečníkmi, ktorí sa pohybujú na nekonečne veľkom tanečnom parkete a majú iba vizuálny kontakt, ale stále zostávajú spolu,“ pokračuje Dörner. "Ale čo je 'vizuálny kontakt' s atómami? Ako „atómy vedia, že sa nesmú rozptýliť na všetky vetry, akonáhle stratia kontakt pomocou väzobných síl? To nemôžete pochopiť bez kvantovej mechaniky. “Pre Vitalija Efimova, ktorý blahoželal frankfurtským vedcom k ich objavu, tu matka príroda odhalila jedno zo svojich najväčších tajomstiev.

Efimovov štát však nie je exotickým zvláštnym prípadom, ale príkladom univerzálneho kvantového javu, ktorý zjavne hrá dôležitú úlohu v mnohých oblastiach fyziky, “vysvetľuje Maksim Kunitski. Početné údaje o Efimovových stavoch sa našli aj v atómových zhlukoch, v menších atómových jadrách a dokonca aj v systémoch fyziky pevných látok. Okrem toho existujú aj prvé správy o jeho význame v biológii.