ソビエトの核物理学者が、粒子のトリオが無限の入れ子人形構成で自分自身を配置できるという風変わりな理論を提案してから 40 年以上が経ち、実験学者は、物質のこの奇妙な状態が現実であるという強力な証拠を報告しています。
1970 年、Vitaly Efimov は、原子核に存在する陽子と中性子などの 3 つの粒子のセットの挙動を計算する試みで、量子力学の方程式を操作していました。そのとき、核成分だけでなく、 、適切な条件下で、自然界の任意のトリオの粒子に。
ほとんどの力は、磁石の北極と南極、または惑星とその太陽などの対の間で作用しますが、エフィモフは、作用するために 3 つの成分を必要とする効果を特定しました。これらの構成要素は一緒になって、ボロミアン リングに似た物質の状態を形成します。ボロミアン リングは、3 つの相互接続された円の古代のシンボルであり、2 つが直接リンクされていません。いわゆるエフィモフの「三量体」は、その特性が適切な値に調整されている限り、陽子のトリオ、三原子分子、またはその他の 3 つの粒子のセットで構成できます。そして驚くべき繁栄の中で、物質のこの仮説上の状態は前代未聞の特徴を示しました:事実上無限小から無限大までのサイズの範囲の能力です.
「それはかなり突飛なアイデアです」と、ヒューストンのライス大学の物理学教授であるランディ・ヒューレットは言いました。 「この無限の一連の分子が得られます。」
エフィモフは、3 つの粒子が一緒になると、それらの力が特別に合流してボロミアン リング効果が生じることを示しました。入れ子人形の特徴 (離散スケール不変性と呼ばれる) は、3 つの粒子間の力を表す方程式の対称性から生じました。粒子が特定の距離だけ離れたときに方程式を満たす場合、22.7 倍離れた同じ粒子も解になります。 「スケーリング係数」と呼ばれるこの数値は、円周率と直径の比率である円周率と同じくらい不可解に数学から導き出されました。
「タマネギの層のようなものです」とヒューレットは言いました。 「分子は 1 つの層に見えます。層をはがすと、22.7 分の 1 の分子がそこにあることがわかります。層を剥がすたびに、別の分子が見つかります。」
エフィモフは彼の理論をソビエトの雑誌と西側の出版物 Physics Letters B で発表しました。最初は、ほとんど誰も信じませんでした。
エフィモフの論文が発表されたとき、高校生だったオハイオ州立大学の理論物理学者であるエリック・ブラテンは、「西洋では、これらのアイデアは非常に懐疑的に受け止められました。」
理論家はエラーを求めて方程式に足を踏み入れました。しかし代わりに、「彼らはそれが真実であると確信するようになった」と Braaten 氏は述べています。
しかし、厳密な論理があっても、理論は必ずしも自然界に現れる必要はありませんでした。パデュー大学の物理学者で、ほんの数個の粒子で構成される「少数体」量子系を研究している Chris Greene 氏は、次のように述べています。
そして何十年もの間、その理論が実在の物質を説明しているかどうかは誰も知りませんでした。研究者たちがエフィモフ三量体を探す場所を熟考していたとき、エフィモフ自身は西に移住し、ワシントン大学の教授になりました。そこで彼は、彼の風変わりな理論よりも非弾性衝突の授業中に銃を撃ったことで有名になりました.
エフィモフ状態は弱く拘束されており、通常は他の力によって圧倒されているため、観察には正確な調整が必要です。粒子は、粒子間の力の範囲を超えて遠く離れているときに衝突できるという独特の量子特性を持っている必要があります。これは、重力を感じない遠くの星から地球が跳ね返るのと似た状況です。そして、粒子は形成から小刻みに動くにはエネルギーが少なすぎなければなりません.
一部の物理学者は、自然界の偶発的な微調整により、ヘリウム4原子を装ってエフィモフ状態が発生し、ホイル状態と呼ばれる炭素同位体が星で形成され、他の多くの元素を生み出すのではないかと疑っていました.しかし、これらの原子核は制御された研究には複雑すぎました.
1999 年、Greene は、エフィモフ状態に必要な特性が、新しく開発された超低温光トラップで手動で調整できることに気付きました。これらの装置内の原子は、絶対零度よりも数分の 1 度高い温度までレーザーで冷却され、小刻みに揺れる能力を制限し、磁場を適用して遠距離で衝突させることができます。
オーストリアのインスブルック大学の Rudi Grimm と彼のグループは、2006 年に初めてエフィモフ三量体を作成することに成功し、絶対零度より 100 億分の 10 度に冷却された 3 つのセシウム原子からそれを構築しました。これはエフィモフにとって待ちに待った勝利でした.グリムは、その知らせを聞いて非常に感情的になったことを思い出しました.
しかし、結果は理論を決定的に証明するものではありませんでした.
2006 年にグリムのグループの一員であったシカゴ大学の物理学教授である Cheng Chin は、次のように述べています。それぞれ 22.7 倍に拡大された Efimov 三量体。理論を証明するために「それが新しいレースを開始した」とチンは言いました.
8年後、一連のエフィモフ州を観察するコンテストは写真判定で終了しました。 「あなたが見ているのは、3つの異なる国にある3つのグループが、これらの複数のエフィモフ州をすべて約1か月以内に報告しているということです」と、グループの1つを率いたChinは言いました。 「本当に素晴らしいです。」
グリムのチームは、セシウム原子でできた 2 番目のエフィモフ三量体を観察し、その結果を 5 月 12 日の Physical Review Letters で報告しました。 2006 年の三量体は 1,000 個の水素原子の幅にまたがり、新しいものは 1 マイクロメートルの幅を測定する必要があり、「巨大な分子」であるとグリム氏は述べています。
22.7 倍大きいエフィモフ状態はそれぞれ 22.7 平方倍弱く、新しい状態を形成できるようにするには、光トラップをさらに冷却する必要があります。グリムのグループは技術を完成させ、実験限界のギリギリの状態を検出しました。
一方、他の 2 つのグループは、理論の脚注を利用して 3 つの連続したエフィモフ状態を観察することに成功しました:三量体が同一のセットではなく異なる粒子の混合物から構築される場合、22.7 のスケーリング係数は粒子に応じて減少します。 '相対質量。言い換えれば、原子混合物でできた入れ子人形はサイズが近くなり、実験ウィンドウ内でより多くの人形を観察できるようになります。
Chin のチームと、ハイデルベルク大学の Matthias Weidemüller が率いるグループの両方が、それぞれ 2 つのセシウム原子とはるかに軽いリチウム原子でできている 3 つの異なるサイズのエフィモフ三量体を観察しました。チンのグループは 2 月に論文をオンラインで投稿し、ハイデルベルグの科学者は 3 月に論文を公開しました。両方の論文は、まだ査読中ですが、三量体の相対的なサイズの倍率は 4.9 前後であると報告されています。これは、理論によって予測された 22.7 への調整とまったく同じです。
「私たちはこの結果に非常に興奮しています」と Chin 氏は述べています。 「複雑な分子の世界には新しい法則があります。」
この法則は、量子スケールから（粒子が十分に冷たい場合）宇宙のサイズとそれを超えたサイズまで、理論的に無限のシーケンスで及ぶ、かつてないほど巨大な3つの粒子の幾何学的な進行です。 「無数にいるわけではありませんが、3 つ続けて見れば、かなり強力な証拠になります」と Chin 氏は言います。
一部の人にとって、この結果は時代の終わりであり、出発点でもあります。
「古典的なエフィモフのシナリオでは、ストーリーは基本的に完成しました」とグリムは言いました。しかし、冷たい原子の少数体現象を見るためのパラダイムとして、彼は「それは氷山の一角のようなものだ」と述べた。
研究者によると、エフィモフ状態は少数体物理学における最も基本的な効果ですが、少数の原子の配置に影響を与えると思われる効果は他にも無数にあります:4、5、6 体相互作用などです。科学者たちは、極低温光トラップでこれらの効果の一部を増強して、超伝導のエキゾチックな形態など、物質の新しいバルク特性を生成できる可能性があると考えています。少数体物理学の理解が深まると、より多くの粒子を含むより複雑なシステムのモデルにも反映されます。
しかし、エフィモフ状態の直接的な実用化は限られています。奇妙でありながらエレガントなアイデアを何十年も研究してきた研究者にとって、新しい研究の主な推進力であり、最大の喜びは、最終的な証拠を得ることです.
「この魔法の数字である 22.7 が実際に出てくるのを見て満足しています」と、新しい研究には関与していない Braaten 氏は述べています。 「これがすべて機能したという間接的な証拠がありましたが、実際に実験でこの個別のスケーリング係数を明示的に見ると、安心できます。」
