Ερευνητές δημιούργησαν και παρατήρησαν για πρώτη φορά σε υπέρψυχρα άτομα τις κβαντικές δομές που είχε προβλέψει ο Hans Bethe το 1931, ανοίγοντας νέους δρόμους στη μελέτη των αλληλεπιδράσεων και των δεσμευμένων καταστάσεων των κβαντικών σωματιδίων
Σχεδόν έναν αιώνα αφότου ο νομπελίστας Hans Bethe προέβλεψε την ύπαρξή τους, επιστήμονες δημιούργησαν και παρατήρησαν ασυνήθιστες κβαντικές δομές, γνωστές ως «συμβολοσειρές Bethe» (Bethe strings), χρησιμοποιώντας υπερψυχρά άτομα.
Το πείραμα, υπό την καθοδήγηση του κβαντικού φυσικού Hanns-Christoph Nägerl, προσφέρει στους ερευνητές έναν τρόπο με υψηλό βαθμό ελέγχου για τη μελέτη αυτών των ασυνήθιστων κβαντικών καταστάσεων πολλών σωμάτων.
Το 1931, ο φυσικός Hans Bethe πρότεινε ότι σωματίδια σε ορισμένα κβαντικά συστήματα περιορισμένα σε μία διάσταση θα μπορούσαν να συνενωθούν σε συλλογικές καταστάσεις, οι οποίες σήμερα ονομάζονται συμβολοσειρές Bethe.
Οι δομές αυτές διαφέρουν θεμελιωδώς από τα γνωστά μόρια
Αντί να συνδέονται μέσω χημικών δεσμών, τα σωματίδια παραμένουν δεσμευμένα λόγω των αλληλεπιδράσεών τους μεταξύ τους, ενώ οι συγκεκριμένες καταστάσεις μπορούν να υπάρξουν μόνο σε μία διάσταση.
Για το μεγαλύτερο μέρος του περασμένου αιώνα, οι συμβολοσειρές Bethe αποτελούσαν κυρίως μια θεωρητική ιδέα.
Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ δημιούργησαν και ανίχνευσαν πλέον αυτές τις δεσμευμένες καταστάσεις πολλών σωματιδίων σε ένα υπέρψυχρο αέριο, σε συνεργασία με θεωρητικές ερευνητικές ομάδες από το Τμήμα Πειραματικής Φυσικής του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ και το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications.
Δημιουργία συμβολοσειρών Bethe κοντά στο απόλυτο μηδέν
Για να δημιουργήσουν αυτές τις ασυνήθιστες κβαντικές καταστάσεις, οι ερευνητές ξεκίνησαν με ένα νέφος ατόμων καισίου, το οποίο ψύχθηκε σε θερμοκρασία μόλις μερικά δισεκατομμυριοστά του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν.
Στη συνέχεια, διαχώρισαν το νέφος σε αρκετές χιλιάδες εξαιρετικά στενούς σωλήνες.
Μέσα σε κάθε σωλήνα, τα άτομα περιορίζονται ουσιαστικά στην κίνηση κατά μήκος μίας μόνο κατεύθυνσης, δημιουργώντας το μονοδιάστατο περιβάλλον που απαιτείται για την ύπαρξη των συμβολοσειρών Bethe.
Οι ερευνητές μπορούν επίσης να ρυθμίζουν με ακρίβεια την ένταση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ατόμων.
Μεταβάλλοντας αυτές τις αλληλεπιδράσεις από απωστικές σε ελκτικές, η ομάδα έκανε τα άτομα να συνδεθούν μεταξύ τους.
Αντί να καταρρεύσουν απλώς σε μία ενιαία ομάδα, τα άτομα σχημάτισαν δεσμευμένες καταστάσεις διαφορετικών μεγεθών. Ορισμένα από τα μεγαλύτερα συσσωματώματα περιείχαν έξι ή περισσότερα σωματίδια.
Παρατήρηση συγκρούσεων μεταξύ κβαντικών συμβολοσειρών
Η επόμενη πρόκληση ήταν να αποδειχθεί ότι τα σωματίδια ήταν πράγματι δεσμευμένα μεταξύ τους.
«Ένα από τα απλούστερα πειράματα ήταν να αφήσουμε τις συμβολοσειρές να διασταλούν», αναφέρει η Milena Horvath, μία από τις κύριες συγγραφείς της μελέτης.
Αρχικά, οι ερευνητές επέτρεψαν στα άτομα να διασκορπιστούν, διατηρώντας τα εγκλωβισμένα στους μονοδιάστατους σωλήνες τους. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαστολής, οι συμβολοσειρές συναντήθηκαν και συγκρούστηκαν, αλλά οι δεσμευμένες δομές παρέμειναν άθικτες.
«Αυτό είναι ένα αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό των συμβολοσειρών: μπορούν να συγκρούονται χωρίς να διαλύονται», αναφέρει η Milena Horvath.
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες πραγματοποίησαν μια δεύτερη εκδοχή του πειράματος, κατά την οποία αφαίρεσαν τον περιορισμό και επέτρεψαν στα άτομα να διασταλούν ελεύθερα στον τρισδιάστατο χώρο.
Επειδή οι συμβολοσειρές Bethe μπορούν να υπάρξουν μόνο σε μία διάσταση, η απελευθέρωση των ατόμων σε τρεις διαστάσεις προκάλεσε τη διάλυση των δεσμευμένων καταστάσεων.
Η ενέργεια που διατηρούσε τα σωματίδια δεσμευμένα μετατράπηκε τότε σε κίνηση, με αποτέλεσμα τα άτομα να απομακρύνονται ταχύτερα μεταξύ τους.
Η σύγκριση των δύο τύπων διαστολής έδωσε στους ερευνητές έναν σαφή τρόπο για να εντοπίσουν την παρουσία συμβολοσειρών Bethe.
Όταν τα σωματίδια δεν ήταν δεσμευμένα, όπως συνέβαινε όταν οι αλληλεπιδράσεις ήταν απωστικές, οι δύο μετρήσεις διαστολής έδιναν ουσιαστικά την ίδια ενέργεια.
Όταν, όμως, υπήρχαν συμβολοσειρές Bethe, η τρισδιάστατη διαστολή περιλάμβανε επιπλέον ενέργεια, η οποία απελευθερωνόταν καθώς διαλύονταν οι δεσμευμένες καταστάσεις.
Ένα νέο εργαστηριακό πεδίο για την κβαντική φυσική πολλών σωμάτων
«Οι συμβολοσειρές Bethe προβλέφθηκαν σχεδόν πριν από έναν αιώνα, ως μέρος μιας κομψής μαθηματικής περιγραφής των κβαντικών συστημάτων πολλών σωμάτων», αναφέρει ο Sudipta Dhar, ένας ακόμη από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης.
«Τώρα μπορούμε να τις δημιουργούμε στο εργαστήριο, να τις χειριζόμαστε, να τις κάνουμε να συγκρούονται και να διερευνούμε την αξιοσημείωτη σταθερότητά τους κατά τις συγκρούσεις».
Οι συμβολοσειρές Bethe είχαν προηγουμένως ανιχνευθεί πειραματικά σε μαγνητικά συστήματα στερεάς κατάστασης.
Η νέα έρευνα τοποθετεί αυτές τις ασυνήθιστες κβαντικές δεσμευμένες καταστάσεις σε ένα εντελώς διαφορετικό περιβάλλον: ένα υπέρψυχρο ατομικό αέριο, στο οποίο οι ερευνητές μπορούν να ελέγχουν με εξαιρετική ακρίβεια τη γεωμετρία του συστήματος, την πυκνότητα των σωματιδίων και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις.
«Αυτό ανοίγει νέες δυνατότητες για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται και αλληλεπιδρούν αυτά τα συλλογικά κβαντικά αντικείμενα», αναφέρει ο επικεφαλής θεωρητικός της μελέτης, Alvise Bastianello.
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Αυστριακό Επιστημονικό Ταμείο (FWF), μέσω επιχορήγησης του βραβείου Wittgenstein, από την Ευρωπαϊκή Ένωση μέσω επιχορήγησης του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου Έρευνας (ERC) και από το Συμβούλιο Έρευνας Μηχανικών και Φυσικών Επιστημών του Ηνωμένου Βασιλείου. Η Milena Horvath είναι μέλος του διδακτορικού προγράμματος του FWF «Άτομα, Φως και Μόρια» (DK-ALM).
www.worldenergynews.gr
