Физики создали квантовую «молекулу» из трех атомов гелия

Физики впервые создали стабильную экзотическую молекулу из трех атомов гелия, атомы в которой находятся на невозможно большом расстоянии благодаря связывающим их квантовым силам, чье существование было предсказано советским физиком в 70 годах прошлого века, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

Советский ученый Виталий Ефимов еще в 1970-х годах предсказал возможность существования материи, находящейся в экзотическом «тримерном» состоянии. В состоянии Ефимова материя состоит из трех частиц, связанных между собой на квантовом уровне. Для того чтобы между ними возникла такая связь, нужно, чтобы они находились строго на определенном удалении друг от друга.

Когда дистанция между частицами увеличивается в 22,7 раза, состояние Ефимова возникает снова, а дальнейшее увеличение расстояния приводит к бесконечной череде состояний Ефимова. На протяжении последних 40 лет физики ожесточенно спорили, пытаясь подтвердить или опровергнуть выкладки Ефимова, и только в 2005 году австрийским исследователям удалось объединить три атома цезия в подобную структуру и доказать, что физика Ефимова существует.

Группа немецких и российских физиков под руководством Максима Куницкого из университета Гете во Франкфурте смогла собрать подобную тройную молекулу из атомов гелия, над созданием которой физики бились на протяжении более чем 38 лет.

Куницкому и его коллегам удалось получить гелиевые тримеры и отделить их от обычных «двойных» молекул этого газа при помощи сверхкоротких лазерных импульсов, которыми физики облучали атомы гелия.

Подобное облучение приведет к тому, что молекула гелия «взорвется», как выражаются физики, и распадется на индивидуальные ионы. Они разлетятся в стороны с определенной скоростью и в определенном направлении, по которым можно восстановить их оригинальное положение и выяснить, была ли уничтоженная молекула ефимовским тримером или обычным «двойным» гелием.

Используя этот прием, группа Куницкого смогла создать два типа трехатомных молекул в облаке атомов гелия, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю. В первой из них атомы были расположены на минимальном расстоянии друг от друга, которое, тем не менее, в 100 раз больше типичной химической связи между атомами, а во второй — на рекордно далеком.

Вопреки предсказаниям, «треугольник» молекулы второго типа не был равносторонним или равнобедренным — он был сильно вытянутым и один из трех атомов всегда находился дальше от двух других частиц, чем они — друг от друга. Такая молекула была нестабильной, хотя гелиевые «тройки» первого типа могли существовать бесконечно долго без внешнего вмешательства в их жизнь.

Как полагают авторы статьи, эту же технику «дрессировки атомов» можно использовать для создания и изучения иных видов ефимовских тримеров, состоящих из атомов других элементов. Дальнейшее их изучение, надеются ученые, поможет понять, какую роль такие квантовые молекулы могут играть в природе и в жизни Вселенной, и как их можно применить в промышленности и науке.

"Это первая стабильная ефимовская система, которая была когда-либо открыта. Подобные тримеры летали по лаборатории, внутри вакуумной камеры, не взаимодействуя с приборами и не нуждаясь во внешней поддержке. Максим создал ее в нашей маленькой лазерной лаборатории, и для этого не понадобились большие машины или ускорители", — заключает Райнхард Дернер (Reinhard Doerner), руководитель лаборатории и коллега Куницкого.