Ученые из МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт» доказали возможность существования связанной системы из двух отталкивающихся медленных атомов, адсорбированных на поверхности или нити. Разработанная математическая модель будет полезна для развития квантовой механики, в частности для дальнейшего изучения бозе-конденсации и эффекта Ефимова, а также приблизит создание квантового компьютера. Результаты исследований опубликованы в «Журнале экспериментальной и теоретической физики».
Неожиданным и оттого очень интересным явлением квантовой механики является образование связанной системы тремя отталкивающимися атомами. Данное явление получило название эффект Ефимова в честь российского физика-теоретика Виталия Ефимова. Важно, что размер связанной системы из трех атомов намного больше, чем область влияния сил между двумя индивидуальными парами атомов. На существование такой системы В. Ефимов указал еще в 1970 году, но получил ее при работе с атомами цезия австрийский ученый Рудольф Грим только через 45 лет.
Ученые из МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт» продвинулись дальше в этом направлении и доказали возможность существования связанной системы из двух отталкивающихся медленных атомов, адсорбированных на поверхности или нити. Медленными называют атомы, которые за счет охлаждения до сверхнизких температур (ниже 1 K) находятся в потенциальной яме и совершают только колебательные движения.
Иными словами, ученые доказали, что эффект Ефимова наблюдается, даже когда роль третьего тела, т. е. атома, играет поверхность либо нить. Все три объекта исследований — два медленных атома и поверхность либо нить — удерживаются вместе, как единое целое, так называемая квазимолекула, за счет сил Ван-дер-Ваальса — сил межатомного взаимодействия.
Единственным параметром, который определяет взаимодействие двух атомов при низкой энергии, является длина рассеяния. При нулевой энергии частиц длина рассеяния равна по величине и противоположна по знаку амплитуды рассеяния.
«В ходе расчетов мы доказали, что при любом знаке длины рассеяния у системы из двух отталкивающихся медленных атомов, адсорбированных на поверхности или нити, имеется связанное состояние, — поясняет Александр Максимычев, профессор кафедры общей физики МФТИ. — В частности, такое состояние существует для двух атомов с взаимодействием в виде сферического потенциала с бесконечно высокой стенкой».
Ученые выполнили математическое описание состояния двумерного газа из спин-поляризованных атомов водорода, адсорбированных на поверхности жидкого гелия. Следует пояснить, что газ становится спин-поляризованным, если векторы момента количества движения электронов ориентированы преимущественно в одном направлении. Чтобы понять, что такое двумерный газ, следует представить двумерное пространство, иными словами, плоскую реальность, в которой есть только длина и ширина. Аналогично, частицы двумерного газа могут свободно двигаться только в двух направлениях по поверхности жидкого гелия.
Вычисления ученых показали, что энергия связи квазимолекулы, состоящей из двух спин-поляризованных атомов водорода, адсорбированных на поверхности жидкого гелия, составляет приблизительно 60 K или 5,17 ∙ 10-3эВ.
Полученная математическая модель позволяет прогнозировать состояние чувствительных к внешним условиям бозе-конденсатов. В частности, полученное значение энергии связи может свидетельствовать о неустойчивости боголюбовских двумерных бозе-конденсатов, образованных атомами водорода, адсорбированными на поверхности жидкого гелия.
Стоит добавить, что под бозе-конденсацией понимают явление, когда частицы, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина, находятся в одном квантовом состоянии и из-за этого ведут себя, как единая огромная частица, например, движутся с одинаковой скоростью, имеют равные длины рассеяния в s-волне при парном столкновении. Сами бозе-конденсаты называют пятым состоянием вещества.
Можно ожидать, что математическая модель, разработанная учеными из МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт», будет полезна для развития квантовой механики и приблизит создание квантового компьютера.
Работа проведена в рамках выполнения научного задания НИЦ «Курчатовский институт».
