Jak się okazuje, udało im się wytworzyć i zaobserwować takie stany w laboratorium. Chodzi o tzw. łańcuchy Bethego, czyli związane stany wielu cząstek, które mogą powstawać w odpowiednio kontrolowanych, jednowymiarowych układach kwantowych. Kulisy zorganizowanych eksperymentów są już dostępne w artykule zamieszczonym na łamach Nature Communications.
Łańcuchy Bethego nie są cząsteczkami w tradycyjnym znaczeniu. Nie łączą się dzięki wiązaniom chemicznym, lecz powstają w wyniku oddziaływań między molekułami. Kluczowe znaczenie ma przy tym ograniczenie ruchu do jednego wymiaru. W takich warunkach grupa atomów może zachowywać się jak związany układ, mimo że nie tworzy klasycznej struktury chemicznej. Teoretyczne przewidywania dotyczące takich stanów pojawiły się w pracach wspomnianego naukowca.
Czytaj też: Fizyk sprawdził Manewr Picarda ze Star Treka. Okazała się jeszcze lepsza niż w serialu
Współczesny eksperyment odbył się z wykorzystaniem niezwykle zimnego gazu atomów cezu. Jego autorzy obniżyli temperaturę do poziomu zaledwie kilku miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego. Następnie umieścili atomy w tysiącach bardzo wąskich, jednowymiarowych pułapek. Dzięki temu ich ruch został ograniczony praktycznie do jednej osi. Naukowcy mogli jednocześnie precyzyjnie sterować siłą oddziaływań między atomami, przełączając je z odpychających na przyciągające.
To właśnie zmiana charakteru tych oddziaływań pozwoliła doprowadzić do powstawania związanych stanów wielu cząstek. Co istotne, nie były to wyłącznie niewielkie grupy atomów. Pomiary wskazały na obecność stanów obejmujących więcej niż sześć cząstek. Autorzy nowego artykułu opisują powstawanie mieszaniny łańcuchów o różnych rozmiarach. Przeprowadzili także pomiary ich energii wiązania. Wyniki były zgodne z przewidywaniami teoretycznymi dotyczącymi takich układów.
Jednym z najciekawszych aspektów badania było sprawdzenie, czy atomy rzeczywiście pozostają ze sobą związane. Naukowcy pozwolili najpierw, aby układ rozszerzał się w dalszym ciągu w ograniczeniu jednowymiarowym. Powstałe łańcuchy mogły wówczas zderzać się ze sobą, ale nie rozpadały się. To charakterystyczna właściwość związanych stanów w odpowiednich jednowymiarowych układach kwantowych.
Następnie badacze przeprowadzili drugi eksperyment. Usunęli ograniczenie i pozwolili atomom rozszerzać się swobodnie w trzech wymiarach. Wtedy sytuacja gwałtownie się zmieniła. Łańcuchy Bethego mogą istnieć w opisanym układzie tylko przy jednowymiarowym ograniczeniu, dlatego po jego usunięciu związane stany rozpadały się. Energia, która wcześniej była związana z ich powstaniem, zamieniała się w energię ruchu atomów. Można było dzięki temu wykryć dodatkową energię pojawiającą się podczas trójwymiarowej ekspansji.
Czytaj też: Fizycy ujarzmili biały grafen. To kompletna odwrotność słynnego materiału
To właśnie porównanie obu sposobów rozszerzania układu dostarczyło jednego z kluczowych dowodów na obecność łańcuchów Bethego. Naukowcy analizowali również rozkład pędów atomów oraz tzw. kontakt Tana, wielkość opisującą korelacje między cząstkami. Oba pomiary dostarczyły dodatkowych informacji zgodnych z obecnością związanych stanów wielu atomów.
Potwierdzenie przewidywania sprzed niemal wieku jest istotne, ale liczy się coś jeszcze: ultrazimne gazy atomowe pozwalają fizykom z wyjątkową precyzją kontrolować geometrię układu, liczbę cząstek oraz siłę ich wzajemnych oddziaływań. Dzięki temu mogą badać zarówno powstawanie łańcuchów Bethego, jak i ich zderzenia, stabilność czy zachowanie poza stanem równowagi. To z kolei powinno pomóc w lepszym zrozumieniu złożonych układów kwantowych, w których ogromna liczba wzajemnie oddziałujących cząstek zachowuje się w sposób trudny do opisania klasycznymi metodami. W przyszłości platforma wykorzystana w Innsbrucku może posłużyć do badania koherencji kwantowej, dynamiki nieliniowej i procesów dochodzenia układów do równowagi.
Źródło: Nature Communications
