نزدیک به یک قرن پس از آنکه هانس بته، برنده جایزه نوبل، وجود آنها را پیش بینی کرد، دانشمندان ساختارهای کوانتومی غیرمعمولی به نام “رشته های بته” را با استفاده از اتم های فوق سرد ایجاد و مشاهده کردند. این آزمایش که توسط فیزیکدان کوانتومی هانس کریستوف ناگرل هدایت می شود، روشی بسیار قابل کنترل برای مطالعه این حالت های کوانتومی چند جسمی غیرمعمول در اختیار محققان قرار می دهد.
در سال 1931، فیزیکدان هانس بته پیشنهاد کرد که ذرات در سیستم‌های کوانتومی خاص محدود به یک بعد می‌توانند در حالت‌های جمعی ترکیب شوند که امروزه رشته‌های بته نامیده می‌شوند. این ساختارها اساساً با مولکول های شناخته شده تفاوت دارند. ذرات به جای اینکه توسط پیوندهای شیمیایی به هم متصل شوند، به دلیل برهم کنش با یکدیگر به هم متصل می مانند و حالات حاصل تنها در یک بعد می توانند وجود داشته باشند.
در بیشتر قرن گذشته، رشته‌های بته عمدتاً یک ایده تئوریک بودند. محققان دانشگاه اینسبروک با همکاری تیم‌های نظری از دپارتمان فیزیک تجربی در دانشگاه آمستردام و دانشگاه فنی مونیخ، این حالت‌های محدود از ذرات متعدد را در یک گاز فوق‌سرد ایجاد و کشف کرده‌اند. نتایج در منتشر شده است ارتباطات طبیعت.
ایجاد رشته های Bethe نزدیک به صفر مطلق
برای تولید حالت‌های کوانتومی غیرمعمول، محققان با ابری از اتم‌های سزیم که تا چند میلیاردم درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شده بودند، شروع کردند. سپس ابر را به چندین هزار لوله بسیار باریک تقسیم کردند.
در هر لوله، اتم ها به طور موثر محدود می شوند تا در یک جهت حرکت کنند و محیط یک بعدی لازم برای وجود رشته های بته را ایجاد می کنند. محققان همچنین می‌توانند شدت تعامل اتم‌ها را به خوبی تنظیم کنند.
با تغییر این فعل و انفعالات از دافعه به جذاب، تیم اتم ها را به یکدیگر پیوند دادند. اتم‌ها به‌جای فروپاشی ساده در یک گروه واحد، حالت‌های محدود با اندازه‌های مختلف را تشکیل می‌دهند. برخی از خوشه های بزرگتر حاوی شش یا بیشتر ذره بودند.
تماشای برخورد رشته های کوانتومی
چالش بعدی اثبات این بود که این ذرات واقعاً به هم متصل هستند.
میلنا هوروات، یکی از نویسندگان اصلی، می‌گوید: «یکی از ساده‌ترین آزمایش‌ها اجازه دادن به رشته‌ها بود.
محققان ابتدا به اتم ها اجازه دادند در حالی که در لوله های یک بعدی خود به دام افتاده بودند، پخش شوند. در طول این انبساط، رشته ها به یکدیگر برخورد کردند و با هم برخورد کردند، اما ساختارهای مرتبط زنده ماندند.
میلنا هوروات می گوید: «این یکی از ویژگی های قابل توجه ریسمان است: آنها می توانند بدون از هم پاشیدن با هم برخورد کنند.
سپس دانشمندان نسخه دوم آزمایش را انجام دادند که در آن مهار را حذف کردند و به اتم ها اجازه دادند آزادانه در فضای سه بعدی منبسط شوند. از آنجایی که رشته‌های بته فقط در یک بعد می‌توانند وجود داشته باشند، آزاد کردن اتم‌ها به صورت سه بعدی باعث فروپاشی حالت‌های محدود شد.
انرژی که ذرات را محدود نگه می دارد، سپس به حرکت تبدیل می شود و باعث می شود اتم ها سریعتر پراکنده شوند. مقایسه دو نوع انبساط به محققان راهی روشن برای شناسایی وجود رشته‌های بته داد.
هنگامی که ذرات محدود نشدند، همانطور که وقتی فعل و انفعالات دافعه بودند، هر دو اندازه گیری انبساط اساساً انرژی مشابهی تولید کردند. با این حال، زمانی که رشته‌های Bethe وجود داشتند، انبساط سه‌بعدی حاوی انرژی اضافی بود که هنگام فروپاشی حالت‌های محدود آزاد می‌شد.
آزمایشگاهی جدید برای فیزیک کوانتومی چند جسمی
Sudipta Dhar، یکی دیگر از نویسندگان ارشد، می‌گوید: «رشته‌های Bethe تقریباً یک قرن پیش به‌عنوان بخشی از یک توصیف ریاضی زیبا از سیستم‌های کوانتومی چند جسمی پیش‌بینی شدند. اکنون می‌توانیم آنها را در آزمایشگاه ایجاد کنیم، آنها را دستکاری کنیم و آنها را وادار به برخورد کنیم و پایداری برخورد قابل توجه آنها را مطالعه کنیم.”
رشته‌های بته قبلاً به‌طور تجربی در سیستم‌های مغناطیسی حالت جامد کشف شده بودند. کار جدید این حالت‌های محدود کوانتومی غیرمعمول را در محیطی بسیار متفاوت قرار می‌دهد: یک گاز اتمی فوق‌سرد، جایی که محققان می‌توانند هندسه، چگالی ذرات و برهم‌کنش‌های سیستم را با دقت بسیار زیاد کنترل کنند.
آلویس باستیانلو، نظریه‌پرداز اصلی، می‌گوید: «این فرصت‌های جدیدی را برای مطالعه چگونگی شکل‌گیری و تعامل این اجسام کوانتومی جمعی باز می‌کند.
این تحقیق توسط صندوق علوم اتریش FWF از طریق کمک هزینه جایزه ویتگنشتاین، اتحادیه اروپا از طریق کمک هزینه ERC، و شورای تحقیقات مهندسی و علوم فیزیکی بریتانیا تامین شد. Milena Horvath عضو برنامه دکتری FWF Atoms, Light and Molecules (DK-ALM) است.
