Efimov-ringen: nieuwe vorm van materie gevonden

Share Button

Het periodiek systeem van scheikundeles uit de middelbare school krijgt concurrentie.

Borromeaanse ringen. Het weghalen van één ring betekent dat de twee andere ringen uiteen vallen.

Borromeaanse ringen. Het weghalen van één ring betekent dat de twee andere ringen uiteen vallen.

Bosonen, een bepaalde groep elementaire deeltjes, blijken weliswaar niet in paren, maar wel in drietallen een stabiele binding te kunnen aangaan. Dit opent een venster op totaal nieuwe materialen. En kunnen we eindelijk het raadsel van kwantumverstrengeling oplossen?

De Russische, later naar de VS geëmigreerde natuurkundige Vitaly Efimov voorspelde in 1970 dat bepaalde kwantumdeeltjes die geen paren kunnen vormen, onder bepaalde omstandigheden wel drietallen kunnen vormen. Deze drietallen hebben iets weg van Boromiaanse ringen: haal er eentje weg en de twee andere ringen laten los.

Vitaly Efimov werd uitgelachen maar kreeg veertig jaar na de publicatie van zijn voorspelling door een experiment gelijk.

Vitaly Efimov werd uitgelachen maar kreeg veertig jaar na de publicatie van zijn voorspelling door een experiment gelijk.

Bosonen en fermionen: een kwestie van spin
Spin is een bizarre kwantumeigenschap die je kan opvatten als de draairichting en -snelheid van een deeltje. Een bal kan je in allerlei richtingen, snelheden en linksom of rechtsom laten tollen. Een kwantumdeeltje kan alleen linksom of rechtsom tollen met hele of halve eenheden. Een spin van bijvoorbeeld 0,33 kan dus niet.

In kwantumtermen kunnen alle deeltjes in twee groepen worden verdeeld: bosonen met een heeltallige spin en fermionen (die een halftallige spin hebben).  Bosonen, bijvoorbeeld lichtdeeltjes en helium-4 atomen, zijn de spreekwoordelijke makke schapen. Het is vrij makkelijk om ze bij elkaar in de buurt te brengen. In kwantumtermen: hun golffuncties overlappen elkaar.

Dat is bij fermionen (bijvoorbeeld elektronen en helium-3 atomen) heel anders: de kans dat ze bij elkaar in de buurt komen is nul (het Pauliverbod). Twee fermionen (denk aan elektronen in een supergeleider) kunnen wel een Cooperpaar vormen dat bosoneigenschappen heeft: de spin van beide deeltjes samen wordt een geheel getal. Zo bestaat supervloeibaar helium-3 uit Cooperparen helium-3 atomen.

Efimov-trio’s
Efimov voorspelde in 1970 dat deeltjes met een heeltallige spin, bosonen dus, onder bepaalde omstandigheden een stabiel drietal konden vormen. De interacties gaan resoneren en houden elkaar dan precies in evenwicht. Het effect is bij ‘gewone’ atomen extreem zwak, de reden dat pas in 2006 Efimov-trio’s zijn aangetroffen in cesiumdamp. Pas toen was er de techniek om atomen tot onder een miljoenste graad boven het absolute nulpunt te koelen.

Wat is het praktisch nut?
Op dit moment, 13,5 miljard jaar na de Big Bang: nul. Zelfs in de ijskoude ruimte tussen de sterren is de temperatuur nog drie kelvin, miljoenen malen te hoog. Misschien dat we er een nieuw type quantumcomputer mee zouden kunnen bouwen of een ultragevoelige detector, bijvoorbeeld van zwaartekrachtsgolven.

Voorbeelden van ingewikkelder Efimov-structuren, 'atomen'. Klik voor een vergroting. Bron: Arxiv/Nils Baas

Voorbeelden van ingewikkelder Efimov-structuren, 'atomen'. Klik voor een vergroting. Bron: Arxiv/Nils Baas

Interessanter is dat we materie kunnen scheppen die niet is beperkt tot onze drie dimensies. Topologisch wiskundige Nils Baas heeft  nog veel ingewikkelder structuren dan de simpele Boromiaanse ringen berekend. Waar uiteraard nog veel extremere koeling voor nodig is. Baas denkt ook dat deze ingewikkelde structuren wel eens kwantumverstrengeling, wat de wetenschap al tachtig jaar hoofdpijn bezorgt, zouden kunnen verklaren.

Zeer verre toekomst
Op dit moment gaan kosmologen er van uit dat de uitzetting van het heelal steeds sneller zal gaan door een op hol geslagen kosmologische constante en dat we uiteindelijk tot atomen uit elkaar zullen worden gerukt. Klopt die theorie niet, en dat zal niet voor de eerste keer zijn in de geschiedenis van de wetenschap, dan is er een goede kans dat ons heelal in de verre toekomst afkoelt tot miljoenste graden boven het absolute nulpunt.

In deze verre toekomst zijn sterren volkomen uitgebrand. De “behaaglijke” drie kelvin van de achtergrondstraling is dan zo laag geworden dat Efimovstaten de regel worden. Wie weet vormt zich dan een nieuwe ijle vorm van materie, die zeer traag zal reageren. Een nieuwe Efimov-chemie. En nieuw intelligent leven, een soort gaswolk, dat onze wereld misschien wel ziet als een vernietigende Big Bang…

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

You may also like...

4 Responses

  1. Julie zegt:

    Ben benieuwd wat zich uitkristalliseert..

    • Alfa zegt:

      Julie.

      Er is bewijs voor andere universa gevonden, oudere universa dan het onze. Deze hebben een lagere temperatuur dan ons universum. Als we uitgaan van het spirituele, en de hypothetische combinatie maken tussen materie en het spirituele, ( bran, brainholes ) dan kan het een ook weer theoretische wijkplaats voor zielen zijn. Dit lijkt vergezocht, maar is even ver gezocht als de Efimov ringen destijds. Daar werd ook om gelachen…….. Voor het niet bestaan van een ziel is evenveel bewijs als voor het tegendeel, namelijk geen. Het zou een soort eindstadium kunnen zijn, van waaruit steeds een nieuw begin ontstaat. Men kan hier over denken zoals men wil, maar als gedachtenexperiment is het qua cirkelredenering net zo geldig als de bran holes. Niet dat ik dan het concept van een schepper ondersteun, maar wel het concept van een scheppende kracht. Tenslotte weten we niet wat de natuur kan doen., men denkt het te weten.

  2. Julie zegt:

    Volgens mij geldt de tweede theorie; dat het heelal verder gaat afkoelen. Na de hitte van de big bang, toen het afkoelde, werden atomen gevormd.

  1. 19 maart 2011

    […] drie kelvin, dit is een duizendste eV. Misschien dat ons heelal als het heel sterk af is gekoeld, nog veel meer dimensies zal tellen. Mureika en Stojkovic veronderstellen dat bij zeer lage temperaturen mogelijk het vacuüm uit […]

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *

Advertisment ad adsense adlogger