Fizycy znaleźli dowody na klastry atomów przewidziane przez teorię Bethego — Live Science

Fizycy uzyskali pośrednie dowody na istnienie tak zwanych strun Bethego — klastrów oddziałujących ultrazimnych atomów ustawionych w jednej linii. Badanie, którego wyniki opublikowano 29 sierpnia w czasopiśmie Nature Communications, wskazuje, że w eksperymencie mogły jednocześnie powstawać klastry o różnych rozmiarach, w tym złożone z ponad sześciu atomów.

Jak podaje Live Science, matematyczny opis takich stanów wywodzi się z pracy niemieckiego fizyka Hansa Bethego z 1931 roku. Badając łańcuch elektronów, ustalił on, że kilka odwróconych spinów może wiązać się i poruszać jako całość. Później podejście to zastosowano także do większych cząstek, w tym atomów: zgodnie z teorią, przy wzajemnym przyciąganiu mogą one tworzyć klastry.

Atomy w jednowymiarowych rurkach

Naukowcy schłodzili dziesiątki tysięcy atomów cezu do stanu kondensatu Bosego-Einsteina, w którym cząstki znajdują się we wspólnym stanie kwantowym. Za pomocą wiązek laserowych podzielili kondensat na tysiące cienkich rurek, z których każda zawierała do kilkudziesięciu atomów ustawionych w linii.

Początkowo atomy odpychały się wzajemnie. Następnie naukowcy, używając pola magnetycznego, stopniowo zmniejszyli to odpychanie do zera i przekształcili je w przyciąganie. W jednowymiarowej przestrzeni atomy nie mogą się wzajemnie ominąć, co pozwala uniknąć szybkiego kolapsu gazu charakterystycznego dla środowiska trójwymiarowego.

Więcej aktualnych wiadomości na kanale UA.News w Telegramie Telegram.

Pośrednia metoda pomiaru

Zespół nie mógł bezpośrednio zobaczyć strun Bethego. Zamiast tego porównał rozszerzanie się chmury atomowej po uwolnieniu cząstek. Gdy atomy mogły poruszać się wyłącznie wzdłuż rurek, klastry powinny pozostać nienaruszone. Po uwolnieniu do przestrzeni trójwymiarowej rozpadały się, przekształcając energię wiązania w ruch.

Trójwymiarowe chmury rozszerzały się z około trzykrotnie większą energią niż jednowymiarowe. Na tej podstawie badacze oszacowali siłę wiązania między atomami. Pomiary były również zgodne z przewidywaniami uogólnionej hydrodynamiki, która opisuje taki gaz jako mieszaninę cząstek różnych typów i klastrów o różnych rozmiarach. Współautor pracy, fizyk eksperymentalny z Uniwersytetu w Innsbrucku Hanns-Christoph Nägerl, podkreślił, że zgodność teorii z danymi jest dowodem, ale nie ostatecznym potwierdzeniem istnienia tych stanów.

Struny prawdopodobnie nie istnieją długo: z czasem atomy cezu tworzą zwykłe cząsteczki. W najzimniejszych seriach eksperymentu zespół stracił około 40% atomów. Wśród możliwych sposobów bardziej bezpośredniego badania takich stanów naukowcy rozważają ochronę ultrazimnych cząsteczek za pomocą mikrofal oraz mikroskopię gazu kwantowego, która pozwala obserwować atomy pojedynczo.