Ny forskning av fysiker vid University of Chicago löser en mångårig oenighet om bildandet av exotiska kvantpartiklar som kallas Efimov -molekyler.

Resultaten, publicerades förra månaden i Naturfysik , ta itu med skillnader mellan hur teoretiker säger att Efimov -molekyler ska bildas och hur forskare säger att de har bildats i experiment. Studien fann att den enkla bild som forskare formulerade baserat på nästan 10 års experiment hade fel - ett resultat som har konsekvenser för att förstå hur de första komplexa molekylerna bildades i det tidiga universum och hur komplexa material blev till.

Efimov -molekyler är kvantobjekt som bildas av tre partiklar som binder samman när två partiklar inte kan göra det. Samma tre partiklar kan skapa molekyler i ett oändligt antal storlekar, beroende på styrkan i interaktionerna mellan dem.

Experiment hade visat att storleken på en Efimov -molekyl var ungefär proportionell mot storleken på atomerna som utgör den - en egenskap som fysiker kallar universalitet.

"Denna hypotes har kontrollerats och kontrollerats flera gånger under de senaste 10 åren, och nästan alla experiment tyder på att detta verkligen är fallet, "sa Cheng Chin, professor i fysik vid UChicago, som leder labbet där de nya fynden gjordes. "Men vissa teoretiker säger att den verkliga världen är mer komplicerad än denna enkla formel. Det borde finnas några andra faktorer som kommer att bryta denna universalitet."

De nya fynden hamnar någonstans mellan de tidigare experimentella fynden och förutsägelser från teoretiker. De motsäger båda och gör upp med tanken på universalitet.

"Jag måste säga att jag är förvånad, "Sade Chin." Detta var ett experiment där jag inte förutsåg resultatet innan vi fick uppgifterna. "

Uppgifterna kom från extremt känsliga experiment gjorda med cesium- och litiumatomer med hjälp av tekniker som utformats av Jacob Johansen, tidigare en doktorand i Chin's lab som nu är postdoktor vid Northwestern University. Krutik Patel, en doktorand vid UChicago, och Brian DeSalvo, en postdoktor vid UChicago, bidragit också till arbetet.

"Vi ville kunna säga en gång för alla att om vi inte såg något beroende av dessa andra fastigheter, då är det verkligen något allvarligt fel med teorin, "Sa Johansen." Om vi ​​såg beroende, då ser vi nedbrytningen av denna universalitet. Det känns alltid bra, som vetenskapsman, att lösa den här typen av frågor. "

Utveckla nya tekniker

Efimov -molekyler hålls samman av kvantkrafter snarare än av de kemiska bindningarna som binder samman välkända molekyler som H2O. Atomerna är så svagt förbundna att molekylerna inte kan existera under normala förhållanden. Värme i ett rum som ger tillräckligt med energi för att krossa sina bindningar.

Efimovmolekylförsöken utfördes vid extremt låga temperaturer - 50 miljarder av en grad över absolut noll - och under påverkan av ett starkt magnetfält, som används för att styra atomernas interaktion. När fältstyrkan är i en viss, snävt intervall, interaktionen mellan atomer intensifieras och molekyler bildas. Genom att analysera de exakta förhållandena under vilka bildning sker, forskare kan utläsa molekylernas storlek.

Men att styra magnetfältet tillräckligt noggrant för att göra de mätningar Johansen sökte är extremt svårt. Även värme som genereras av den elektriska ström som används för att skapa fältet var tillräckligt för att ändra det fältet, gör det svårt att reproducera i experiment. Fältet kan fluktuera på en nivå av endast en del av en miljon - tusen gånger svagare än jordens magnetfält - och Johansen var tvungen att stabilisera det och övervaka hur det förändrades över tiden.

Nyckeln var en teknik han utvecklade för att undersöka fältet med hjälp av mikrovågselektronik och själva atomerna.

"Jag betraktar vad Jacob gjorde en tour de force, "Chin sade." Han kan styra fältet med så hög noggrannhet och utföra mycket exakta mätningar av storleken på dessa Efimov -molekyler och för första gången bekräftar data verkligen att det finns en betydande avvikelse från universaliteten. "

De nya resultaten har viktiga konsekvenser för att förstå utvecklingen av komplexitet i material. Normala material har olika egenskaper, som inte kunde ha uppstått om deras beteende på kvantnivå var identiskt. Efimov-systemet med tre kroppar sätter forskare precis vid den punkt där universellt beteende försvinner.

"Varje kvantsystem som består av tre eller fler partiklar är ett mycket mycket svårt problem, "Sade Chin." Först nyligen har vi verkligen förmågan att testa teorin och förstå karaktären hos sådana molekyler. Vi gör framsteg mot att förstå dessa små kvantkluster. Detta kommer att vara en byggsten för att förstå mer komplext material. "