本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
15世紀義大利貴族博羅梅奧家族的族徽上有三個相互 interlocking 的圓圈。在眾多解讀中，它可以被認為代表了將博羅梅奧家族與另外兩個貴族家庭不可分割地聯絡在一起的聯姻——一個強大而穩定的聯盟，在許多世紀以來為這個家族提供了良好的服務。
在物理學中，可以說這三個圓環——或原子，或粒子——是糾纏在一起的，這樣，如果你拿起其中任何一個，另外兩個也會跟隨，如果你切斷一個，另外兩個也會解體。當原子以這種方式表現時，它們被稱為 葉菲莫夫態。並且根據《物理評論快報》上的一篇新論文，正如最初的理論所預測的那樣，這種狀態似乎是可擴充套件的。[更新：《量子雜誌》的娜塔莉·沃爾喬弗 對此新結果有更詳細的介紹。]
碰巧的是，我早在 2007 年就寫過關於這個的部落格（其中一部分被我改編用於這篇文章），就在物理學家首次在實驗室中實現葉菲莫夫態之後。從原子角度來說，葉菲莫夫效應是指當兩個通常相互排斥的原子在引入第三個原子時變得強烈吸引時會發生什麼。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
沒錯：三人成夥，兩人嫌多，這與傳統觀念背道而馳。然而，葉菲莫夫效應只能在超冷氣體中觀察到，例如銫，冷卻到絕對零度以上十億分之一度。這比外太空最遠處的區域還要冷，外太空的溫度徘徊在舒適的 3 開爾文左右。T
葉菲莫夫效應的幕後人物是一位名叫維塔利·葉菲莫夫的俄羅斯物理學家。早在 1969 年，他就獲得了理論核物理學的新博士學位，並且擁有足夠的年輕樂觀主義來做出一個奇怪的預測：即使三個原子中的任何兩個通常會相互排斥，但在適當的條件下，應該有可能創造出一種物質狀態，在這種狀態下，它們將經歷不可抗拒的吸引力，形成無限數量的“束縛態”。
他的許多同事認為這有點荒謬，但數學證明了年輕的維塔利的正確性。多年來，理論家們一次又一次地試圖推翻葉菲莫夫效應，但結果卻進一步證實了它。但它仍然沒有在實驗室中被觀察到。實現這一目標的技術尚不存在。這與建立玻色-愛因斯坦凝聚態 (BEC) 花費如此長時間的原因相同，玻色-愛因斯坦凝聚態是阿爾伯特·愛因斯坦和印度物理學家薩特延德拉·玻色在 1920 年代首次預測的一種新的物質狀態。
請記住，所有物質都表現出波/粒二象性。在正常溫度下，原子表現得非常像檯球，相互碰撞並與任何包含壁碰撞。降低溫度會降低它們的速度。如果溫度足夠低（絕對零度以上十億分之一度）並且原子足夠密集，它們的波動性就會顯現出來。不同的物質波將能夠“感知”到彼此並協調自身，彷彿它們是一個巨大的“超原子”。這就是 BEC。
埃裡克·康奈爾和卡爾·威曼使用雷射和磁冷卻裝置的組合建立了第一個 BEC。他們透過冷卻約 1000 萬個銣氣原子建立了一個雷射阱；冷卻後的原子隨後被磁場固定在原位。
但是原子仍然不夠冷以形成 BEC，因此這兩個人添加了第二個步驟，蒸發冷卻，其中磁場網密謀將最熱的原子踢出，以便較冷的原子可以更緊密地移動在一起。它的工作原理與您早晨的咖啡中發生的蒸發冷卻非常相似；較熱的原子升到磁阱的頂部，並以蒸汽的形式“跳出”。
威曼和康奈爾於 1995 年 6 月 5 日上午 10:54 創造了物理學歷史，產生了持續 15-20 秒的約 2000 個銣原子的 BEC。此後不久，一位名叫沃爾夫岡·凱特勒的麻省理工學院物理學家在他的實驗室中實現了 BEC。威曼、康奈爾和凱特勒分享了 2001 年諾貝爾物理學獎。
事實證明，BEC 是實驗驗證葉菲莫夫效應的關鍵，因為它們催生了一個研究超冷氣體性質的龐大新領域。科羅拉多大學的克里斯·格林（與一位合著者）是第一個預測超冷氣體正是實驗室中實現這種奇特狀態的途徑的人。1999 年，諾貝爾獎獲得者朱棣文——原子雷射冷卻和捕獲領域的先驅——領導斯坦福大學團隊試圖建立葉菲莫夫態。即使在絕對零度以上百萬分之一度，樣品仍然太熱。
奧地利物理學家魯道夫·格里姆在 2005 年西雅圖的一次研討會上遇到了葉菲莫夫，並受到啟發，嘗試親自驗證葉菲莫夫效應。格里姆在因斯布魯克大學的研究小組取了三個銫原子，將它們放入真空室，然後使用雷射冷卻和蒸發冷卻的組合將溫度降至 -459.6 華氏度。
該技術幾乎與建立 BEC 的方式相同，並且如果 BEC 在過去十年中沒有在物理學中變得幾乎司空見慣，那麼葉菲莫夫的奇異理論可能永遠不會得到驗證。
在與葉菲莫夫會面一年內，格里姆的團隊在他的實驗室中建立了葉菲莫夫效應。訣竅是將氣體置於凝聚的邊緣，而不會使其變成真正的 BEC。
關於該實驗結果，可能最令人興奮的事情是它應該是非常普遍的：我們應該能夠利用任何一組超冷溫度下的三個粒子來建立這種狀態。因此，自然而然地，它引發了一個（對於物理學家來說）令人興奮的新領域，致力於研究少量相互作用粒子的量子力學行為。這是因為，除其他外，這種狀態是研究奇異“少體系統”（即只有三到四個粒子的系統，如原子核）的好方法。
2010 年，格里姆的學生程琛（現任芝加哥大學教授）成功地實現了混合葉菲莫夫態——即一種包含超冷銫和鋰原子的狀態。但是物理學家希望實現的最難實現的目標是實驗驗證葉菲莫夫原始理論中的另一個預測：這些所謂的“葉菲莫夫三聚體”應該向上擴充套件。因斯布魯克團隊實現的狀態是最小的可能尺度；根據葉菲莫夫的計算，下一個最大的尺度應該大 22.7 倍。
為什麼這麼困難？尺寸並不是唯一擴充套件的東西。如果溫度不等於或小於將三者結合在一起的結合能，葉菲莫夫三聚體將在形成後立即分解，這意味著您需要比最小的這種狀態所需的溫度低 2 倍的溫度才能擴充套件到第二小的狀態。不知何故，因斯布魯克團隊設法做到了這一點，這要歸功於一種新型的阱，並發現了 21.0 的比例因子——非常接近葉菲莫夫的預測值。
假設您已經讀到這裡，您可能會想：“我為什麼要關心？” 凝聚態物理學家經常抱怨他們的工作沒有像希格斯玻色子的發現或古怪的中微子發現那樣獲得相同程度的媒體關注或公眾熱情。
這在某種程度上是真實的，很大程度上是因為很難傳達這項工作為何如此重要，除了它對於驗證理論和使進一步的超冷氣體實驗能夠研究奇異的少體系統的重要性之外。反過來，這可能會加深物理學家對量子力學的認識。
誠然，掌握葉菲莫夫效應可能會使工程化物質最基本的性質成為可能，在亞原子水平上，使科學家能夠以前所未有的控制能力創造出所有種類的其他情況下不可能存在的新型奇異分子。奈米技術一直在擺弄材料的特性，但在量子水平上這樣做意味著您也可以擺弄原子相互作用。
也就是說，仍然存在需要超冷溫度（接近絕對零度）才能實現所述物質狀態以操縱基本性質的小問題——這需要磁光阱等尖端技術。因此，不要指望葉菲莫夫態很快就會進入您的 iPhone。關於 BEC，正如查德·奧澤爾在 2011 年指出的那樣，也可以這樣說。
“原子 BEC 系統的主要應用目前是在基礎研究領域，並且在可預見的未來可能會繼續如此。您有時會聽到人們談論 BEC 作為光刻工具，或類似的東西，但這不太可能成為任何時候真正的商業應用，因為吞吐量太低了。沒有人擁有一種以您需要在合理時間內製造有趣裝置的速度生成 BEC 的方法。因此，大多數 BEC 應用將僅限於實驗室。”
恐怕葉菲莫夫態也是如此。因此，詹-盧克·皮康理解您可能覺得這一切不是很令人興奮的原因。但這仍然是一項了不起的成就，有時我們需要慶祝這些默默無聞的英雄，他們默默無聞地在陰影中工作，即使他們取得了重大突破。現在是他們進一步提高實驗標準並嘗試產生三階葉菲莫夫態的時候了。按照目前的速度，他們應該會在十年內破解這個難題。加油團隊！
參考文獻:
Chin, C. et al. (2010) “超冷氣體中的費什巴赫共振，《現代物理評論》 82, 1225。
Efimov, V. (1970) “三體系統中由共振二體相互作用引起的能級，《物理快報 B》 33: 563–564。
Efimov, V. (1971) “三個共振相互作用粒子的弱束縛態，《蘇聯核物理雜誌》 12: 589。
Efimov, V. (2009) “少體物理學：真實比例的巨型三聚體，《自然物理學》 5:533。
Ferlaino, F. and Grimm, R. (2010)。“葉菲莫夫物理學四十年：一個奇異的預測如何變成熱門話題，《物理學》 3, 9。
Huang, B. et al. (2014) “葉菲莫夫情景中第二個三原子共振的觀測，《物理評論快報》 112: 190401。
Knoop, S. et al. (2009) “超冷原子-二聚體散射中類葉菲莫夫三聚體共振的觀測，《自然物理學》 5 (3): 227
Kraemer, T. et al. (2006) “超冷銫原子氣體中葉菲莫夫量子態的證據，《自然》 440 (7082): 315–318。
Zaccanti, M. et al. (2009) “原子系統中葉菲莫夫譜的觀測，《自然物理學》 5 (8): 586。