Tras 38 años se observan los trímeros de Efimov en helio-4

Science Magazine

En 1970 el físico Vitaly Efimov presentó una solución exacta para el problema de los tres cuerpos en un sistema con bosones idénticos. En 1977 se propuso que podría ser observado en helio-4. El llamado trímero de Efimov fue observado en 2005 de forma indirecta en gases ultrafríos de átomos de cesio. Ahora se publica en Science la primera observación directa en helio-4 mediante una técnica de difracción que usa un láser de femtosegundos que ioniza los tres átomos del trímero.

El artículo es Maksim Kunitski et al., “Observation of the Efimov state of the helium trimer,” Science 348: 551-555, 01 May 2015, doi: 10.1126/science.aaa5601; más información en Oleg Kornilov, “The quantum halo state of the helium trimer,” Science 348: 498-499, 01 May 2015, doi: 10.1126/science.aaa9102.

Los artículos clásicos mencionados son V. Efimov, “Energy levels arising from resonant two-body forces in a three-body system,” Physics Letters B 33: 563-564, 1970, doi: 10.1016/0370-2693(70)90349-7; y T. K. Lim et al., “Efimov State in the He4 Trimer,” Phys. Rev. Lett. 38: 341-343, 1977, doi: 10.1103/PhysRevLett.38.341. La observación en cesio se publicó en T. Kraemer et al., “Evidence for Efimov quantum states in an ultracold gas of caesium atoms,” Nature 440:  315-318, 2006, doi: 10.1038/nature04626arXiv:cond-mat/0512394 [cond-mat.other].

Dibujo20150503 Selection of He trimers from the molecular beam by means of matter wave diffraction - science mag

La interacción cuántica a corto alcance entre dos bosones, como la fuerza de van der Waals o la interacción fuerte entre dos nucleones en un núcleo atómico, presenta como comportamiento universal, independiente del tipo de fuerza, la aparición de trímeros de Efimov. Cuando la interacción se reduce, o el potencial se hace menos profundo, tres partículas cercanas puede formar un estado ligado que se distribuye en un región enorme del espacio. Los estados de Efimov aparecen en física nuclear, física atómica, física de la materia condensada e, incluso, en biofísica.

Dibujo20150503 efymov trimer in helium - science mag

Esta figura muestra el diagrama de fases para un potencial V(a) = sign(a)/|a|1/2 entre los pares de partículas (eje horizontal) en función de la energía entre ellos sign(E) |E|1/4 (eje vertical). Para a<0 no hay estados ligados debidos a la interacción. Para a>0 aparecen estados ligados a pares (por encima de la línea azul oscura en la zona celeste de la figura). Los estados ligados a tríos aparecen en la región de color verde. La línea verde representa el estado fundamental tipo molécula triatómica (GS). La teoría predice una torre infinita de estados excitados tipo trímero de Efimov. La línea roja (1st ES) representa el primer estado de Efimov y la línea negra a trazos (2nd ES) el segundo estado. Observar estados de mayor orden es muy difícil.

Como muestra la parte inferior de la figura, el trímero de Efimov es enorme. Se extiende por una región de unos 300 Å (recuerda que 1 Å = 0,1 nm), es decir, unas 100 veces mayor que la molécula triatómica. Las simulaciones numéricas de la interacción He-He entre átomos de helio predice una molécula triatómica con energía de ligadura de –131,84 mK para el estado fundamental y de –2,6502 mK para el trímero de Efimov. Una energía tan pequeña complica mucho la observación experimental directa.

Dibujo20150503 efymov trimer in helium - theory - experiment - science mag

Maksim Kunitski y sus colegas han obtenido imágenes directas de los estados de Efimov. Los resultados experimentales están en buen acuerdo con los cálculos teóricos mecanicocuánticos. Se usó un haz molecular de He gaseoso a una temperatura de 8 K a través de una rendija de 5 micras. Los tres átomos del trímero se ionizaron mediante un láser de pulsos ultracortos (30 fs, 780 nm, 3 × 1015 W/cm²). Gracias a ello la ionización es un proceso esencialmente instantáneo y se pude observar la distribución de probabilidad (o función de onda) cuántica del trímero.

Lo más interesante del nuevo artículo es que los trímeros de Efimov en helio son estables y pueden ser preparados de forma fiable y controlable en un experimento. Los próximos años depararán estudios detallados de su física y quizás posibles aplicaciones prácticas. Para los interesados en la ciencia básica el siguiente paso relevante será la observación directa de los tetrámeros, estados con cuatro átomos de He, también predichos por la teoría. Fueron observados de forma indirecta por F. Ferlaino et al., “Evidence for Universal Four-Body States Tied to an Efimov Trimer,” Phys. Rev. Lett. 102: 140401, 06 Apr 2009, doi: 10.1103/PhysRevLett.102.140401. Su observación directa requiere todo un alarde técnico, pero cada día parece más próxima.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 4 mayo, 2015
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