Cientistas observam cordas de Bethe em gás ultrafrio, confirmando previsão de 1931

Quase um século após o físico Hans Bethe prever sua existência, cientistas criaram e observaram diretamente estruturas quânticas incomuns conhecidas como "cordas de Bethe" usando átomos ultrafrios. O experimento, liderado pelo físico quântico Hanns-Christoph Nägerl na Universidade de Innsbruck, fornece aos pesquisadores uma maneira altamente controlável de explorar esses estados quânticos de muitos corpos incomuns. Os resultados foram publicados na Nature Communications.

Criando Estados Ligados em Uma Dimensão

Em 1931, Hans Bethe propôs que partículas em certos sistemas quânticos restritos a uma dimensão poderiam se juntar em estados coletivos agora chamados de cordas de Bethe. Essas estruturas diferem fundamentalmente das moléculas familiares. Em vez de serem conectadas por ligações químicas, as partículas permanecem ligadas devido às suas interações umas com as outras, e os estados resultantes podem existir apenas em uma dimensão.

Para produzir esses estados, os pesquisadores começaram com uma nuvem de átomos de césio resfriados 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 são efetivamente restritos a se moverem ao longo de uma única direção, criando o ambiente unidimensional necessário para a existência das cordas de Bethe.

Ao alterar as interações entre os átomos de repulsivas para atrativas, a equipe fez com que os átomos se ligassem. Em vez de simplesmente colapsar em um único grupo, os átomos formaram estados ligados de vários tamanhos diferentes. Alguns dos aglomerados maiores continham seis ou mais partículas.

Testando a Estabilidade Através de Colisões

Para demonstrar que essas partículas estavam realmente ligadas, os pesquisadores realizaram duas versões de um experimento de expansão. Na primeira versão, eles permitiram que os átomos se espalhassem enquanto os mantinham presos dentro de seus tubos unidimensionais. Durante essa expansão, as cordas encontraram-se e colidiram, no entanto, as estruturas ligadas sobreviveram.

"Esta é uma característica notável das cordas: elas podem colidir sem se desfazer", diz Milena Horvath, uma das autoras principais.

Na segunda versão, os cientistas removeram o confinamento e permitiram que os átomos se expandissem livremente pelo espaço tridimensional. Como as cordas de Bethe podem existir apenas em uma dimensão, liberar os átomos em três dimensões fez com que os estados ligados se desfizessem. A energia que mantinha as partículas ligadas foi então transformada em movimento, fazendo com que os átomos se afastassem mais rapidamente.

Quando as partículas estavam desligadas, como era o caso quando as interações eram repulsivas, ambas as medições de expansão produziram essencialmente a mesma energia. Quando as cordas de Bethe estavam presentes, no entanto, a expansão tridimensional continha energia extra liberada à medida que os estados ligados se desfaziam. Essa comparação forneceu uma maneira clara de identificar a presença de cordas de Bethe.

Um Novo Laboratório para a Física Quântica

As cordas de Bethe já haviam sido detectadas experimentalmente em sistemas magnéticos de estado sólido. O novo trabalho coloca esses estados quânticos ligados 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.

"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, outra autora principal. "Agora podemos criá-las no laboratório, manipulá-las e fazê-las colidir para investigar sua notável estabilidade colisional."

O teórico principal Alvise Bastianello observa que esse ambiente "abre novas possibilidades para estudar como esses objetos quânticos coletivos se formam e interagem".

Por que isso importa

A observação direta de cordas de Bethe em um gás ultrafrio controlável valida uma previsão teórica de 1931 e fornece uma nova plataforma para estudar a física quântica de muitos corpos. Diferente dos sistemas de estado sólido, o gás atômico ultrafrio permite a manipulação precisa das interações das partículas e da geometria, permitindo que os cientistas investiguem a formação e a estabilidade desses estados quânticos únicos de maneiras anteriormente impossíveis.

Fontes (em inglês)

• sciencedaily.com: A quantum prediction from 1931 just came to life | ScienceDaily
• ua.news: Innsbruck scientists create Bethe strings from ultracold atoms | UA.NEWS

Tradução feita com IA do artigo original em inglês, revisada automaticamente para dizer o mesmo que o original. As fontes foram verificadas em inglês.