Onderzoekers hebben het buitengewone gedrag van zwak gebonden drie-atomaire moleculen onthuld, wat het conventionele begrip van de kwantummechanica tart. Dat blijkt uit een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Nature Communications werpt een team van wetenschappers van de Bar-Ilan Universiteit in Israël, in samenwerking met theoretici in de Verenigde Staten, licht op de mysterieuze veerkracht van deze exotische moleculen tegen dissociatie.

Deze moleculen, bekend als Efimov-trimeren, zijn zo zwak gebonden dat zelfs een kleine hoeveelheid thermische energie hun vorming verhindert. In theorie leven Efimov-trimeren alleen binnen een bepaalde parameterruimte die zeer sterke interacties tussen de samenstellende atomen vereist. Wanneer deze interacties zwakker worden, wordt verwacht dat de trimeren zullen dissociëren in vrije atomen of in een bi-atomair molecuul en een vrij atoom.

In hun onderzoek creëerden de onderzoekers een speciale omgeving van een miljoenste graad boven het absolute nulpunt (één microkelvin) om deze exotische toestanden te observeren en te bestuderen, wat een opmerkelijk fenomeen aan het licht bracht:Efimov-trimeren vertonen een verrassende weerstand tegen uiteenvallen, zelfs als ze worden ondergedompeld in het continuüm van toestanden.

"Ons onderzoek legt een fundamenteel aspect van de kwantummechanica bloot, waarbij de vasthoudendheid van deze exotische moleculen wordt aangetoond, ondanks dat ze buiten de aanvankelijk voorspelde parameterruimte bestaan", legt prof. Lev Khaykovich van de afdeling natuurkunde van Bar-Ilan University uit, die samen met collega's het onderzoek leidde. van JILA aan de Universiteit van Colorado, Boulder, de Universiteit van Maryland en NIST, College Park, Maryland.

"Deze ontdekking daagt bestaande paradigma's uit en onderstreept het belang van nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek bij het vergroten van ons begrip van de wetten van de kwantummechanica."

Met behulp van een unieke experimentele methode ontwikkeld in hun laboratorium creëerden de onderzoekers een kwantummechanische superpositietoestand van een drieatomig molecuul en een bi-atomair molecuul, samen met een enkel vrij atoom. Door nauwgezette observatie en analyse bereikten ze een ongeëvenaarde precisie bij het meten van de energieniveaus van deze nieuwe moleculaire structuren en ontdekten ze de onverwachte overlevingseigenschappen van de Efimov-trimeren.

Opeenvolgend grondig theoretisch onderzoek bracht een hervormde vorm van interacties aan het licht die de experimentele waarnemingen verklaarde, maar die in alle voorgaande onderzoeken volledig over het hoofd werd gezien.

Een van de meest intrigerende puzzels die door het onderzoek aan het licht zijn gekomen en die onverklaard blijft, is de onverwacht lange levensduur van de kwantummechanische superpositietoestand. Dit fenomeen heeft wetenschappers over de hele wereld verbijsterd, nieuwe wegen geopend voor onderzoek en de grenzen van onze kennis opnieuw gedefinieerd.

"Dit werk illustreert de essentie van nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek, leidt ons naar onverwachte gebieden en stelt diepgaande vragen die ons begrip van het universum op de proef stellen", zegt prof. Khaykovich. "Door samenwerking en toewijding blijven we de mysteries van de fysica van atomen en kleine moleculen ontrafelen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor transformatieve ontdekkingen."

De bevindingen van dit onderzoek hebben voor opwinding gezorgd binnen de onderzoeksgemeenschap, waaruit blijkt dat zelfs na decennia van onderzoek de kwantummechanica nog steeds verrast. Terwijl wetenschappers verder onderzoek ondernemen, belooft de reis nog boeiender inzichten te onthullen in de aard van materie en haar interacties.

Meer informatie: Yaakov Yudkin et al, Hervormde interacties tussen drie lichamen en de observatie van een Efimov-toestand in het continuüm, Natuurcommunicatie (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46353-1

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Bar-Ilan Universiteit