Εξηγώντας ένα κβαντικό παραδόξο με πέντε άτομα – Τι είναι το φαινόμενο Efimov

Στην κβαντική κλίμακα, η ύλη συμπεριφέρεται με τρόπους που δεν θυμίζουν σε τίποτα τον «κοινό» κόσμο. Ένα από τα πιο παράξενα φαινόμενα είναι το φαινόμενο Efimov, μια κατάσταση στην οποία τρία ή περισσότεροι άτομα δένονται μεταξύ τους μέσω ελκτικών δυνάμεων, ακόμη κι όταν αυτά βρίσκονται σε υψηλά επίπεδα ενέργειας. Παράδοξα, η ίδια αυτή δύναμη δεν επαρκεί για να δέσει δύο μόνο άτομα.

Ερευνητές του Πανεπιστημίου Purdue κατάφεραν να πραγματοποιήσουν τον τεράστιο υπολογισμό που απαιτείται για να μοντελοποιηθεί το φαινόμενο Efimov με πέντε άτομα – ένα βήμα σημαντικό για τη θεμελιώδη κατανόηση της ύλης.

Ο καθηγητής Christopher Greene, που είχε μοντελοποιήσει το πρόβλημα με τέσσερα άτομα το 2009, ηγήθηκε της έρευνας σε συνεργασία με τον μεταδιδακτορικό ερευνητή Michael Higgins. Η εργασία δημοσιεύτηκε στα Proceedings of the National Academy of Sciences.

Γιατί είναι δύσκολο;

Το φαινόμενο Efimov προβλέφθηκε τη δεκαετία του 1970 από τον Ρώσο θεωρητικό φυσικό Vitaly Efimov. Σύμφωνα με αυτό, χρειάζεται περισσότερη δύναμη για να ενωθούν δύο άτομα απ’ ό,τι για τρία ή περισσότερα. Μόλις ενωθούν, αυτά τα άτομα παραμένουν δεμένα, ακόμα κι αν προσθέσουμε ενέργεια στο σύστημα.

Ο μόνος τρόπος να προβλεφθεί αν τα άτομα θα ενωθούν είναι μέσω της εξίσωσης του Schrödinger, η οποία όμως είναι εξαιρετικά δύσκολο να λυθεί όταν αυξάνεται ο αριθμός των αλληλεπιδρώντων σωματιδίων. Κάθε πρόσθετο άτομο κάνει το πρόβλημα εκθετικά πιο περίπλοκο.

Από την πρόβλεψη στην πειραματική επιβεβαίωση

Το 1999, η ομάδα του Greene προέβλεψε ότι το φαινόμενο Efimov μπορεί να παρατηρηθεί σε αέρια κοντά στο απόλυτο μηδέν, όπου οι κβαντικές επιδράσεις είναι πιο έντονες. Το 2004, μια ευρωπαϊκή ομάδα κατάφερε να επάγει μια τέτοια κατάσταση σε τρία άτομα καισίου. Από τότε, το φαινόμενο έχει παρατηρηθεί πειραματικά αρκετές φορές.

Το άλμα στα πέντε άτομα

Το 2009, ο Greene έδειξε ότι τέσσερα πανομοιότυπα μποζόνια (μια κατηγορία υποατομικών σωματιδίων) ενώνονται πιο εύκολα απ’ ό,τι τρία. Η νέα μελέτη επεκτείνει αυτήν την κατανόηση σε πέντε μποζόνια, υπολογίζοντας τον ρυθμό με τον οποίο ενώνονται με την πάροδο του χρόνου.

Αυτό έγινε δυνατό χάρη σε:

• Ταχύτερους υπερυπολογιστές
• Παραλληλοποίηση των υπολογισμών
• Βαθύτερη μαθηματική κατανόηση των προβλημάτων

Γιατί έχει σημασία αυτή η ανακάλυψη

Η κατανόηση του πώς αλληλεπιδρούν πέντε σωματίδια είναι κρίσιμη για την πρόοδο των κβαντικών τεχνολογιών πέρα από το εργαστήριο. Επιπλέον, το φαινόμενο έχει εφαρμογές από:

• Πειράματα με υπερψυχρά άτομα σε παγίδες λέιζερ
• Έως μελέτες αερίων σε αστέρες νετρονίων

«Νομίζουμε ότι ξέρουμε τους νόμους της κβαντομηχανικής, αλλά οι εξισώσεις είναι απίστευτα δύσκολες να λυθούν», δήλωσε ο Greene. Ο ίδιος επαίνεσε τον Higgins για τον σχεδιασμό και την υλοποίηση των υπερυπολογιστικών μοντέλων που επέτρεψαν αυτό το επιστημονικό άλμα.