Del “demasiado extraño para ser verdad” a la confirmación experimental del efecto Efimov.

El efecto Efimov es un fenómeno puramente cuántico en el que dos partículas, incluso átomos neutros, que habitualmente no interactúan entre sí con demasiada fuerza, se unen con una tercera en unas determinadas condiciones, unas condiciones en las que no pueden formarse pares. El trío (trímero) puede formar un número infinito de configuraciones, o puesto de otra manera, un número infinito de “estados enlazados” que mantienen a los átomos unidos. Esto es lo que decía la teoría. En 2006, se demostró la existencia de los trímeros. Ahora, un equipo de físicos de la Universidad de Rice (EE.UU.) encabezado por Randall Hulet acaba de demostrar experimentalmente la existencia de dichas configuraciones, tal y como Efímov las predijo. Los resultados se publican en Science.

El efecto Efímov recuerda al nudo borromeo, el que se forma entre tres aros que para que se mantengan unidos deben estar los tres pues, si se corta uno de ellos, los otros dos no pueden mantenerse unidos [en la imagen]. Las dos partículas no pueden unirse, hace falta la tercera para que ello sea posible.

El efecto fue predicho en 1970 por Vitaly Efimov, cuando era un estudiante de doctorado, pero fue considerado en su momento “demasiado extraño para ser verdad”, en parte porque dos átomos pasarían de repelerse a convertirse de buenas a primeras en miembros de tripletes a distancias realmente grandes unos de otros, aproximadamente entre 500 y 10.000 diámetros de un átomo de hidrógeno, en el caso de átomos neutros [a estas distancias tan grandes lo que interviene es el efecto van der Waals, por el que la reordenación de la carga en un átomo provoca la aparición de un “dipolo eléctrico” que crea un campo eléctrico capaz de inducir dipolos en los otros átomos, creando la atracción]. Durante décadas los experimentadores han intentado sin éxito crear estos sistemas de tres partículas, que dieron en llamarse “trímeros de Efimov”.

En 1999, Chris Green, de la Universidad de Colorado, predijo que los gases de átomos ultrafríos podrían proporcionar las condiciones correctas para crear el estado de tres partículas. En 2005 (aunque se publicó en 2006) el equipo de Rudi Grimm de la Universidad de Innsbruck (Austria) confirmó finalmente el estado de Efimov en un gas de cesio ultrafrío a 10 nanokelvin

La característica más llamativa de la predicción de Efimov era la universalidad del efecto. Eso quería decir que los trímeros podían formarse a partir de cualquier cosa, ya fuese tan grande como un átomo o tan pequeño como un quark, lo que quedó confirmado con los resultados de Grimm et ál. Por otro, también significaba que los trímeros de Efimov se formarían repetitivamente, hacia arriba y hacia abajo en la escala de energías de escalón en escalón. Efimov, que ahora está en la Universidad de Washington (EE.UU.) incluso predijo la altura de esos escalones, es decir, los niveles de energía de los trímeros; dijo que aparecerían cada vez que la energía de enlace se incrementase en un factor de 22,7, lo que representó en una ilustrativa gráfica.

En los experimentos, Hulet et ál. buscaban la comprobación experimental de la repetitividad del efecto. El equipo usó una propiedad de los átomos alcalinos ultrafríos llamada resonancia de Feshbach (simplificando: se produce cuando la energía cinética de dos átomos que chocan es igual a la energía del estado enlazado de esos mismos átomos) para afinar la interacción entre átomos de litio. Conforme subían y bajaban las energías, los investigadores comprobaron cómo los trímeros aparecían y reaparecían una y otra vez. El equipo también pudo comprobar otra predicción de Efimov encontrando tetrámeros (cuatro partículas ligadas) en las proximidades de cada trímero. En total Hulet y sus colegas encontraron 11 firmas diferentes de trímeros y tetrámeros, cada una exactamente donde Efimov las había previsto. La gráfica de Hulet et ál. es prácticamente igual a la que dibujó Efimov cuarenta años antes.

Pollack, S., Dries, D., & Hulet, R. (2009). Universality in Three- and Four-Body Bound States of Ultracold Atoms Science DOI: 10.1126/science.1182840