Για σχεδόν έναν αιώνα, οι «χορδές Bethe» υπήρχαν κυρίως ως μαθηματική πρόβλεψη. Τώρα, ερευνητές με επικεφαλής την ομάδα του Πανεπιστημίου του Innsbruck δημιούργησαν και παρατήρησαν αυτές τις ασυνήθιστες συλλογικές κβαντικές καταστάσεις σε ένα υπέρψυχρο αέριο ατόμων καισίου.
Τι είναι μια χορδή Bethe
Ο Hans Bethe είχε προτείνει το 1931 ότι σωματίδια σε ορισμένα κβαντικά συστήματα που περιορίζονται σε μία διάσταση μπορούν να σχηματίζουν δεσμευμένες συλλογικές καταστάσεις. Οι «χορδές» δεν είναι μόρια: τα άτομα δεν συνδέονται με συνηθισμένους χημικούς δεσμούς, αλλά παραμένουν μαζί χάρη στις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις.
Αυτή η διάκριση είναι κρίσιμη. Οι καταστάσεις μπορούν να υπάρξουν μόνο όταν η κίνηση των ατόμων περιορίζεται ουσιαστικά σε μία κατεύθυνση, γι’ αυτό και το πείραμα χρειάστηκε ένα ιδιαίτερα ελεγχόμενο κβαντικό περιβάλλον.
Ένα αέριο μέσα σε χιλιάδες μικροσκοπικούς σωλήνες
Οι ερευνητές ψύξαν το νέφος ατόμων καισίου σε απόσταση μόλις μερικών δισεκατομμυριοστών του βαθμού από το απόλυτο μηδέν. Στη συνέχεια το χώρισαν σε αρκετές χιλιάδες εξαιρετικά στενούς σωλήνες, ώστε τα άτομα μέσα σε κάθε σωλήνα να μπορούν να κινούνται πρακτικά μόνο κατά μήκος μίας διάστασης.
Μεταβάλλοντας με ακρίβεια την ισχύ των αλληλεπιδράσεων — από απωστικές σε ελκτικές — προκάλεσαν τον σχηματισμό δεσμευμένων ομάδων διαφορετικού μεγέθους. Ορισμένες από αυτές περιείχαν έξι ή και περισσότερα άτομα, χωρίς να καταρρέουν απλώς σε έναν αδιαχώριστο όγκο ύλης.
Η σύγκρουση που δεν διέλυσε τις κβαντικές δομές
Για να ελέγξουν αν οι ομάδες ήταν πραγματικά δεσμευμένες, οι επιστήμονες άφησαν τις χορδές να διασταλούν μέσα στους μονοδιάστατους σωλήνες. Οι δομές συγκρούστηκαν μεταξύ τους και παρέμειναν ενωμένες — μια συμπεριφορά που αποτελεί χαρακτηριστικό γνώρισμα των χορδών Bethe.
Όταν, αντίθετα, αφαίρεσαν τον περιορισμό και άφησαν τα άτομα να κινηθούν ελεύθερα σε τρεις διαστάσεις, οι χορδές διαλύθηκαν. Η ενέργεια που κρατούσε τα άτομα δεμένα μετατράπηκε σε κίνηση, με αποτέλεσμα να απομακρυνθούν ταχύτερα. Η διαφορά ανάμεσα στις δύο διαστολές έδωσε στους ερευνητές έναν τρόπο να αναγνωρίσουν πειραματικά τις κβαντικές καταστάσεις.
Ένα νέο εργαστήριο για πολλά κβαντικά σώματα
Το αποτέλεσμα, που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, δεν αποτελεί άμεση εφαρμογή για μια συσκευή ή έναν νέο τύπο υλικού. Η σημασία του είναι θεμελιώδης: οι επιστήμονες μπορούν πλέον να δημιουργούν, να χειρίζονται και να μελετούν συλλογικά κβαντικά αντικείμενα που μέχρι τώρα περιγράφονταν κυρίως από τη θεωρία.
Το υπέρψυχρο αέριο προσφέρει επίσης μεγαλύτερο έλεγχο από ένα στερεό υλικό πάνω στη γεωμετρία, την πυκνότητα και τις αλληλεπιδράσεις του συστήματος. Αυτό μπορεί να βοηθήσει στη μελέτη του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται και αλληλεπιδρούν οι σύνθετες καταστάσεις σε κβαντικά συστήματα πολλών σωμάτων.