Quase um século depois de o prémio Nobel Hans Bethe ter previsto a sua existência, os cientistas criaram e observaram estruturas quânticas invulgares usando átomos ultrafrios, conhecidas como “cordas de Bethe”. O experimento, liderado pelo físico quântico Hans-Christoph Naegerl, fornece aos pesquisadores uma maneira altamente controlável de explorar esses estados quânticos incomuns de muitos corpos.
Em 1931, o físico Hans Bethe propôs que partículas em certos sistemas quânticos limitados a uma dimensão poderiam unir-se em estados coletivos agora chamados de cordas de Bethe. Essas estruturas são fundamentalmente diferentes das moléculas familiares. Em vez de serem mantidas unidas através de ligações químicas, as partículas são mantidas unidas pelas suas interações umas com as outras, e os estados resultantes podem existir apenas numa dimensão.
Durante a maior parte do século passado, as cordas de Bethe foram principalmente uma ideia teórica. Pesquisadores da Universidade de Innsbruck, trabalhando com equipes teóricas do Departamento de Física Experimental da Universidade de Amsterdã e da Universidade Técnica de Munique, criaram e detectaram agora esses estados ligados a múltiplas partículas em gás ultrafrio. Os resultados foram publicados comunicação da natureza.
Criando cordas Bethe perto do zero absoluto
Para gerar os estados quânticos incomuns, os pesquisadores começaram com uma nuvem de átomos de césio resfriado a apenas alguns bilionésimos de grau acima do zero absoluto. Eles então dividiram a nuvem em vários milhares de tubos extremamente estreitos.
Dentro de cada tubo, os átomos estão efetivamente restritos a se moverem em uma única direção, criando o ambiente unidimensional necessário para a existência das cordas de Bethe. Os pesquisadores também podem ajustar com precisão a intensidade da interação dos átomos.
Ao mudar essas interações de repulsivas para atrativas, a equipe uniu os átomos. Em vez de se agruparem em apenas um grupo, os átomos formaram estados ligados de muitos tamanhos diferentes. Alguns aglomerados maiores continham seis ou mais partículas.
Assistindo cordas quânticas colidirem
O próximo desafio foi demonstrar que essas partículas estavam realmente unidas.
“Uma das experiências mais simples foi esticar as cordas”, diz Milena Horvath, uma das autoras principais.
Os pesquisadores primeiro prenderam os átomos dentro de seus tubos unidimensionais e permitiram que eles se expandissem. Durante esta expansão, as cordas colidiram e colidiram entre si, mas as estruturas ligadas sobreviveram.
“Esta é uma característica notável das estrelas: elas podem colidir sem quebrar”, diz Milena Horvath.
Os cientistas realizaram então uma segunda versão da experiência na qual removeram as ligações e permitiram que os átomos se expandissem livremente através do espaço tridimensional. Como as cordas Beth só podem existir em uma dimensão, a liberação dos átomos em três dimensões separa os estados ligados.
A energia que mantinha as partículas unidas transformou-se então em movimento, fazendo com que os átomos se separassem mais rapidamente. A comparação dos dois tipos de expansões deu aos pesquisadores uma maneira clara de identificar a presença de cordas Beth.
Quando as partículas estavam liberadas, como acontecia quando a interação era repulsiva, ambas as medições de expansão produziram essencialmente a mesma energia. No entanto, quando as cordas de Bethe estavam presentes, energia adicional foi liberada na expansão tridimensional à medida que os estados ligados se dissociaram.
Um novo laboratório para física quântica de muitos corpos
Outro autor principal, Sudipta Dhar, diz: “As cordas de Beth foram previstas há quase um século como parte de uma elegante descrição matemática de sistemas quânticos de muitos corpos”. “Agora podemos criá-los em laboratório, manipulá-los e colidi-los e investigar a sua notável estabilidade colisional.”
As cordas Beth já foram detectadas experimentalmente em sistemas magnéticos de estado sólido. O novo trabalho coloca esses estados quânticos ligados incomuns em um ambiente muito diferente: um gás atomizado ultrafrio onde os pesquisadores podem controlar a geometria do sistema, a densidade das partículas e as interações com extraordinária precisão.
“Isso abre novas possibilidades para estudar como esses objetos quânticos coletivos se formam e interagem”, diz o principal teórico Elvis Bastianello.
A investigação foi financiada pelo fundo científico austríaco FWF através de uma bolsa do Prémio Wittgenstein, pela União Europeia através de uma bolsa ERC e pelo Conselho de Investigação em Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido. Milena Horváth é membro do programa de doutorado da FWF Átomos, Luz e Moléculas (DK-ALM).
