Nieuw onderzoek door natuurkundigen aan de Universiteit van Chicago beslecht een al lang bestaand meningsverschil over de vorming van exotische kwantumdeeltjes die bekend staan ​​als Efimov-moleculen.

De bevindingen, vorige maand gepubliceerd in Natuurfysica , gaan in op verschillen tussen hoe theoretici zeggen dat Efimov-moleculen zich zouden moeten vormen en de manier waarop onderzoekers zeggen dat ze zich in experimenten hebben gevormd. Uit de studie bleek dat het eenvoudige beeld dat wetenschappers formuleerden op basis van bijna 10 jaar experimenten het bij het verkeerde eind had - een resultaat dat implicaties heeft voor het begrijpen van hoe de eerste complexe moleculen in het vroege universum werden gevormd en hoe complexe materialen tot stand kwamen.

Efimov-moleculen zijn kwantumobjecten gevormd door drie deeltjes die aan elkaar binden als twee deeltjes dat niet kunnen. Dezelfde drie deeltjes kunnen moleculen maken in een oneindig aantal maten, afhankelijk van de sterkte van de interacties tussen hen.

Experimenten hadden aangetoond dat de grootte van een Efimov-molecuul ongeveer evenredig was met de grootte van de atomen waaruit het bestaat - een eigenschap die fysici universaliteit noemen.

"Deze hypothese is de afgelopen 10 jaar meerdere keren gecontroleerd en opnieuw gecontroleerd, en bijna alle experimenten suggereerden dat dit inderdaad het geval is, " zei Cheng Chin, een professor in de natuurkunde aan UChicago, die het lab leidt waar de nieuwe bevindingen zijn gedaan. "Maar sommige theoretici zeggen dat de echte wereld ingewikkelder is dan deze eenvoudige formule. Er zouden andere factoren moeten zijn die deze universaliteit zullen doorbreken."

De nieuwe bevindingen komen ergens tussen de eerdere experimentele bevindingen en voorspellingen van theoretici in. Ze spreken beide tegen en maken een einde aan het idee van universaliteit.

"Ik moet zeggen dat ik verrast ben, " zei Chin. "Dit was een experiment waarbij ik het resultaat niet had verwacht voordat we de gegevens kregen."

De gegevens zijn afkomstig van extreem gevoelige experimenten met cesium- en lithiumatomen met behulp van technieken die zijn bedacht door Jacob Johansen, voorheen een afgestudeerde student in het laboratorium van Chin, die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Northwestern University. Krutik Patel, een afgestudeerde student aan UChicago, en Brian De Salvo, een postdoctoraal onderzoeker aan UChicago, droeg ook bij aan het werk.

"We wilden voor eens en voor altijd kunnen zeggen dat als we geen afhankelijkheid van deze andere eigenschappen zagen, dan is er echt iets serieus mis met de theorie, " zei Johansen. "Als we afhankelijkheid zouden zien, dan zien we de ineenstorting van deze universaliteit. Het voelt altijd goed, als wetenschapper, om dit soort vragen op te lossen."

Nieuwe technieken ontwikkelen

Efimov-moleculen worden bij elkaar gehouden door kwantumkrachten in plaats van door de chemische bindingen die bekende moleculen zoals H2O aan elkaar binden. De atomen zijn zo zwak met elkaar verbonden dat de moleculen onder normale omstandigheden niet kunnen bestaan. Warmte in een kamer die genoeg energie levert om hun banden te verbreken.

De experimenten met Efimov-moleculen werden uitgevoerd bij extreem lage temperaturen - 50 miljardste graad boven het absolute nulpunt - en onder invloed van een sterk magnetisch veld, die wordt gebruikt om de interactie van de atomen te regelen. Wanneer de veldsterkte in een bepaalde is, smal bereik, de interactie tussen atomen intensiveert en moleculen vormen. Door het analyseren van de precieze omstandigheden waaronder vorming plaatsvindt, wetenschappers kunnen de grootte van de moleculen afleiden.

Maar het magnetisch veld precies genoeg regelen om de metingen te doen die Johansen zocht, is buitengewoon moeilijk. Zelfs warmte die werd gegenereerd door de elektrische stroom die werd gebruikt om het veld te creëren, was voldoende om dat veld te veranderen. waardoor het moeilijk te reproduceren in experimenten. Het veld kon fluctueren op een niveau van slechts één deel op een miljoen - duizend keer zwakker dan het magnetische veld van de aarde - en Johansen moest het stabiliseren en volgen hoe het in de loop van de tijd veranderde.

De sleutel was een techniek die hij ontwikkelde om het veld te onderzoeken met behulp van microgolfelektronica en de atomen zelf.

"Ik beschouw wat Jacob deed een krachttoer, "Zei Chin. "Hij kan het veld met zo'n hoge nauwkeurigheid besturen en zeer nauwkeurige metingen uitvoeren aan de grootte van deze Efimov-moleculen en voor het eerst bevestigen de gegevens echt dat er een significante afwijking van de universaliteit is."

De nieuwe bevindingen hebben belangrijke implicaties voor het begrijpen van de ontwikkeling van complexiteit in materialen. Normale materialen hebben verschillende eigenschappen, die niet hadden kunnen ontstaan ​​als hun gedrag op kwantumniveau identiek was. Het Efimov-systeem met drie lichamen plaatst wetenschappers precies op het punt waarop universeel gedrag verdwijnt.

"Elk kwantumsysteem gemaakt met drie of meer deeltjes is een zeer, heel moeilijk probleem, " zei Chin. "Pas onlangs hebben we echt de mogelijkheid om de theorie te testen en de aard van dergelijke moleculen te begrijpen. We boeken vooruitgang in het begrijpen van deze kleine kwantumclusters. Dit zal een bouwsteen zijn voor het begrijpen van meer complexe materie."