Quase um século depois de o prémio Nobel Hans Bethe ter previsto a sua existência, os cientistas criaram e observaram estruturas quânticas invulgares conhecidas como “cordas de Bethe” usando átomos ultrafrios. O experimento, liderado pelo físico quântico Hanns-Christoph Nägerl, 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 restritos a uma dimensão poderiam unir-se em estados coletivos agora chamados de cordas de Bethe. Estas estruturas diferem fundamentalmente das moléculas familiares. Em vez de estarem ligadas através de ligações químicas, as partículas permanecem ligadas devido às suas interacções umas com as outras, e os estados resultantes só podem existir numa dimensão.
Durante grande parte do século passado, as cordas de Bethe foram principalmente uma ideia teórica. Pesquisadores da Universidade de Innsbruck criaram e detectaram agora esses estados ligados a multipartículas em um gás ultrafrio, trabalhando com equipes teóricas do Departamento de Física Experimental da Universidade de Amsterdã e da Universidade Técnica de Munique. Os resultados foram publicados em Comunicações da Natureza.
Criando cordas Bethe perto do zero absoluto
Para produzir 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 separaram a nuvem em vários milhares de tubos extremamente estreitos.
Dentro de cada tubo, os átomos estão efetivamente restritos a se moverem ao longo de 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 fez com que os átomos se unissem. Em vez de simplesmente entrarem em colapso em um grupo, os átomos formaram estados ligados de vários tamanhos diferentes. Alguns dos aglomerados maiores continham seis ou mais partículas.
Assistindo a colisão de cordas quânticas
O próximo desafio foi demonstrar que essas partículas estavam realmente unidas.
“Uma das experiências mais simples foi deixar as cordas expandirem-se”, diz Milena Horvath, uma das autoras principais.
Os pesquisadores primeiro permitiram que os átomos se espalhassem, mantendo-os presos dentro de seus tubos unidimensionais. Durante esta expansão, as cordas encontraram-se e colidiram, mas as estruturas ligadas sobreviveram.
“Esta é uma característica notável das cordas: elas podem colidir sem se quebrarem”, diz Milena Horvath.
Os cientistas realizaram então uma segunda versão da experiência na qual removeram o confinamento e permitiram que os átomos se expandissem livremente através do espaço tridimensional. Como as cordas de Bethe só podem existir em uma dimensão, a liberação dos átomos em três dimensões fez com que os estados ligados se desintegrassem.
A energia que mantinha as partículas ligadas foi então transformada em movimento, fazendo com que os átomos se dispersassem mais rapidamente. A comparação dos dois tipos de expansão deu aos pesquisadores uma maneira clara de identificar a presença das cordas de Bethe.
Quando as partículas estavam desvinculadas, como acontecia quando as interações eram repulsivas, ambas as medições de expansão produziram essencialmente a mesma energia. Quando as cordas de Bethe estavam presentes, entretanto, a expansão tridimensional continha energia extra liberada à medida que os estados ligados se separavam.
Um novo laboratório de física quântica de muitos corpos
“As cordas de Bethe foram previstas há quase um século como parte de uma bela descrição matemática de sistemas quânticos de muitos corpos”, diz Sudipta Dhar, outro autor principal. “Agora podemos criá-los em laboratório, manipulá-los e fazê-los colidir e testar a sua notável estabilidade colisional.”
As cordas Bethe já foram detectadas experimentalmente em sistemas magnéticos de estado sólido. O novo trabalho coloca esses estados quânticos incomuns em um ambiente muito diferente: um gás atômico ultrafrio onde os pesquisadores podem controlar a geometria do sistema, a densidade das partículas e as interações com precisão excepcional.
“Isso abre novas possibilidades para estudar como esses objetos quânticos coletivos se formam e interagem”, diz o principal teórico Alvise Bastianello.
A pesquisa foi financiada pelo Fundo Austríaco para a Ciência FWF através de uma bolsa do Prêmio Wittgenstein, pela União Europeia através de uma bolsa ERC e pelo Conselho de Pesquisa em Engenharia e Ciências Físicas do Reino Unido. Milena Horvath é membro do programa de doutorado da FWF Átomos, Luz e Moléculas (DK-ALM).
Fonte: ScienceDaily
