Физики в США подсчитали, что новый класс тройных связанных состояний должен существовать для атомов, которые испытывают дальнодействующие взаимодействия — даже если взаимодействия сами по себе слишком слабы, чтобы связать пары из одинаковых атомов. Такие состояния ранее были замечены в бозонных атомах, подвергнутых короткодействующим взаимодействиям, но исследовательская группа говорит, что новейшее явление очень отличается, в частности тем, что может иметь место и для фермионов. Хотя исследователи еще не видели новых состояний, они могут быть выявлены в экспериментах с ультрахолодными атомарными газами.
Идея, что три атома могут сформировать слабосвязанное квантовое состояние - даже если любые два атомов из них сами по себе не могут связаться вместе - была впервые выдвинута русским физиком Виталием Ефимовым в начале 1970-х годов. Теперь это известно, как связанные состояния трех тел Ефимова. Они были впервые замечены в 2006 году в газе из атомов цезия, который охлаждали до всего лишь 10 нК, исследовательской группой под руководством Ганса-Кристофа Нэгерля (Hanns-Christoph Nägerl) из университета в Инсбруке, в Австрии. Состояния Ефимова возникают только в случае атомов, которые являются бозонами, то есть для атомов, у которых целое, а не полуцелое, значение спина.
Дальнее и ближнее
Одно из важных особенностей состояний Ефимова в том, что взаимодействие между атомами является коротко действующим - другими словами, они описываются притягивающим потенциалом, который падает быстрее, чем обратно пропорционально квадрату расстояния между атомами. Если потенциал дальнодействующий, то расчеты Ефимова не применяются и состояний Ефимова не существует. Однако, если эти дальнодействующие потенциалы оказались сильными, то будет бесконечное число связанных состояний трех тел - но это не состояния Ефимова.
До сих пор, все же было не ясно, существуют ли связанные состояния трех тел, когда потенциал настолько слабый, что не связывает пары атомов. Бретт Эсри (Brett Esry) и его коллеги в Университете штата Канзас обнаружили, что связанные состояния трех атомов должны возникать, когда они притягиваются друг к другу очень слабым потенциалом, обратно пропорциональным квадрату расстояния. Они пришли к этому выводу, изучая численные решения задачи трех тел уравнения Шредингера для трех тождественных бозонов.
Эсри делает это
Эсри с коллегами обратили внимание на фермионы и получили второй неожиданный результат. Если спины всех трех атомов смотрят в одном направлении то, связанные состояния трех тел случаются даже тогда, когда атомы в парах отталкиваются друг от друга.
Эсри сказал для
physicsworld.com
, что вполне возможно увидеть новые состояния в лабораторных экспериментах. «Учитывая, что они очень слабо связанные - так же, как состояния Ефимова - ультрахолодные газы являются наиболее вероятными кандидатами на это», говорит он. «Наиболее вероятный сценарий для обнаружения наших состояний состоит в смешении тяжелых бозонных атомов с взаимодействующими легкими фермионными атомами».
В этом случае фермионы выступают в качестве силовых посредников в результате эффективного притяжения обратным квадрату потенциалом между бозонами. Хотя Эсри считает, что эффект может проявиться в газе из бозонного цезия и фермионного лития, более идеальный кандидат на такую систему должен иметь большее отношение масс бозона и фермиона. Возможные системы включают в себя иттербий-водород или эрбий-водород, хотя Эсри отмечает, что водород является особенно сложным для работы с литием и может быть имеется более приемлемый выбор фермиона.
Нэгерль говорит, что он «не ожидал», этот результат, добавив, что «удивительно, насколько обильны [обратных квадратов] случаи». Тем не менее, Нэгерль считает, что будет трудно убедить экспериментаторов, чтобы попытаться подтвердить теоретический результат из-за проблем, связанных с оснащением своих лабораторий приборами, чтобы создавать и изучать соответствующие бозон-фермионные комбинации.