記得「三體」嗎？科學家揭秘量子系統中的三體結構

正如DT君心目中的神作《三體》一樣，任何與這個概念沾邊的東西都自帶光環，而三體問題也一直是數學上的未解之謎。這次，科學家把三體問題代入了量子力學的範疇，進一步探究了「量子三體」的內部效應。

圖丨Efimov分子想像圖

Efimov 分子是一種奇異的量子顆粒，它的形成問題長期以來沒有定論。來自芝加哥大學的物理學家的最新研究解決了這個困擾許久的問題。

這項研究發布在5月份的自然物理雜誌上，文章給出了之前理論和實驗對於Efimov 分子形成的不同說法，並發現科學家基於近十年實驗給出的關於形成的簡單描述是有錯誤的。這項研究的結果有助於理解複雜分子是如何在早期宇宙中構成以及複雜材料是如何應運而生的。

Efimov分子是一種量子體，它通過量子尺度上的相互力將三個粒子結合在一起，這三個粒子可以形成分子，但其中的任意兩個粒子之間卻無法做到。量子體有無數中組合方式和能級大小，其結構取決於原來三個粒子直接的相互作用力。

本質上來說，Efmov效應是量子力學中三體系統所產生的特性，由俄羅斯理論物理學家V. N. Efimov於1970年提出。三個相同的玻色子相互作用時，三體系統的能級頓時有了無限種組合方式，而同樣的兩個粒子卻往往無法滿足這一能量極限。

圖丨博羅米恩環

人們用拓撲學上的「博羅米恩環」來比喻這一狀態——在三環相扣的系統中，任意一環的缺失都會導致整個系統的失靈。

之前實驗上表明Efimov分子的尺寸大致正比與形成它的原子尺寸，這一性質被物理學家稱作為普遍性(universality)。芝加哥大學的物理學教授 Cheng Chin所領導的研究卻發現，事實並非如此。

他表示：「普遍性假設在過去的10年中已經被反覆論證，幾乎所有的實驗都表明，該假設與事實相符。但是一些理論家認為真實的世界遠比這個簡單的普遍性公式更複雜。應該有一些其他因素來打破普遍性假說。

實驗對銫原子和鋰原子所組成的Efimov分子進行了極為精密的探測，得到了的6Li–133Cs混合物的共振強度，並將其與過往研究和理論預測的數值做了對比——最後發現測量值與預測值並不統一。

圖丨Efimov分子想像圖

「我必須說這一結果讓我非常吃驚，在沒有看到實驗數據前我根本無法預測實驗的結果。」Chin感嘆道。

而Chin的學生Jacob Johansen，也是該實驗的主要設計者也表示：「我們希望能夠給出一勞永逸的解釋。如果我們看到實驗結果和其他性質沒有任何關係，那麼理論是有嚴重錯誤的。同時如果我們看到了和其它性質有關係，那麼也就意味著普遍性理論的瓦解。不過作為科學家，不管是什麼情況，只要是解決了問題，那麼都感覺挺不錯的。」

與常規的三原子分子（如水分子H2O）不同，Efimov分子的構成與原子間化學鍵完全無關，而是通過量子作用力結合在一起的。因此其相互作用力十分微弱，即使是室溫條件下的熱能就足以破壞他們間的連接。

圖丨水分子中的共價鍵和氫鍵

因此，Efimov分子的實驗只能在絕對零度之上500億分之一度的極端條件下進行，在加上強磁場來控制原子間的相互作用。當磁場強度在一個特定的範圍之內，原子間的相互作用就會被大大增強，從而連接形成Efimov分子。通過分析溫度、磁場這些精確的形成條件，科學家就能推斷出分子的尺寸。

但是控制一個足夠精確的磁場來進行測量是極其困難的，用於產生磁場的電流同時也會產熱，而這部分熱能就足以擾動磁場，使得重複實驗變的非常困難。該磁場會在一定範圍內波動，而波動幅度相當於地球磁場的百萬分之一到千分之一。

而為了實驗的精確性，Johansen必須去穩定熱場並監測熱場隨時間的變化。實現這一熱場控制技術的關鍵就是利用微波電子和原子本身。

圖丨芝加哥大學物理學家Cheng Chin

「Jacob使用了一個巧妙地實驗技巧，」Chin表示，「使得他能在很高的精度下控制熱場同時對Efimov分子尺寸進行精確的測量。並首次測量到與普遍性假說存在重大偏差的實驗數據。」

Efimov分子的新發現有助於加深理解物質形成的複雜性。通常的物質具有不同的特性，當然如果他們在量子層面上的運動行為是一致的話，那麼宏觀性質的差異或許就不復存在了。Efimov分子的三體系統研究將科學家們帶入了一個不同於普遍性的新方向。

「研究任何由三粒子或多粒子的量子系統都是極其困難的問題。」Chin說道，「當前我們真正能做的是驗證理論並去理解像Efimov分子的物理本質。這項工作使得我們對量子團有進一步的理解，同時也為以後理解更複雜的物質打下基礎。

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