Ultrahladni atomi pružili nove dokaze u prilog kvantnoj teoriji staroj skoro 100 godina

Fizičari sa Univerziteta u Innsbrucku dobili su nove dokaze o Betheovim nizovima u liniji ultrahladnih atoma, čime su stekli uvid u teoriju koju je još 1931. godine postavio fizičar Hans Bethe. Rezultati su objavljeni 29. augusta u časopisu Nature Communications.

Otkriće možda neće dovesti do novih gadžeta, ali se tiče fundamentalne misterije u fizici: sve oko nas, od magneta do čipova u telefonima, sastoji se od bezbroj čestica koje međusobno djeluju, što njihovo ponašanje čini teškim za predviđanje. Ultrahladni atomi nude jasan i prilagodljiv način proučavanja takvih složenih sistema.

Godine 1931. Bethe je proučavao jedan red elektrona, čiji spin može biti usmjeren gore ili dolje, kako bi objasnio zašto su neki materijali magnetični. Izračunao je da se nekoliko okrenutih spinova može povezati i kretati niz red kao jedna cjelina. Decenijama kasnije fizičari su utvrdili da Betheova metoda važi i za veće čestice koje se kreću duž linije, poput atoma — ako se te čestice privlače, matematika predviđa da će se vezati u grupe koje se nazivaju Betheovi nizovi.

„Kao perle na ogrlici“

Takvi nizovi ranije su uočeni u magnetskim kristalima i supravodičkim kvantnim kolima, ali samo pojedinačno. Teorija predviđa da mnoštvo nizova različitih veličina može promijeniti ponašanje cijelog sistema, a to se moglo proučavati samo ako se napravi više nizova odjednom — što je s atomima bilo teško postići, jer se atomi koji se privlače obično skupe u grudvu. Ovoga puta, čini se da je tim istovremeno napravio više nizova različitih veličina, uključujući neke s više od šest atoma.

Atome je teško navesti da se privlače. U tri dimenzije gas od atoma koji se privlače teži urušavanju, jer se atomi zgušnjavaju i stvaraju molekule, pri čemu se oslobađa energija koja izbacuje atome iz eksperimenta, pa se gas brzo urušava i nestaje. Ali kada su u jednoj liniji, atomi se ponašaju drugačije.

Tim je krenuo od desetina hiljada cezijumovih atoma ohlađenih do Bose-Einsteinovog kondenzata — stanja materije u kojem atomi blizu apsolutne nule dijele jedno kvantno stanje. Laserski snopovi su kondenzat podijelili na hiljade tankih cijevi, od kojih je svaka sadržavala do po nekoliko desetina atoma u liniji. Isprva su se atomi međusobno odbijali; istraživači su magnetnim poljem postepeno smanjili to odbijanje na nulu, a zatim ga pretvorili u privlačenje.

„Oni su zaista pomalo poput perli na koncu, zar ne? Kao na ogrlici, ne mogu jedno pored drugog da prođu“, objasnio je za Live Science suautor studije, eksperimentalni fizičar Hanns-Christoph Nägerl sa Univerziteta u Innsbrucku. „U 3D bi se sve urušilo. Ali u 1D se ne urušava.“

Koliko čvrsto vezani

Nizove nisu mogli posmatrati direktno. Umjesto toga, pustili su atome da se šire i mjerili brzinu širenja oblaka. Kad su se atomi mogli širiti samo duž svojih cijevi, nizovi su ostajali netaknuti. Kad su atomi oslobođeni u sve tri dimenzije, nizovi su se raspali i oslobodili energiju vezivanja kao kretanje — trodimenzionalni oblaci širili su se s približno tri puta više energije nego jednodimenzionalni.

Iz te razlike tim je procijenio koliko su čvrsto atomi bili povezani, a odgovor je upućivao na nizove od najmanje šest atoma. Mjerenja su se usko poklopila s predviđanjima teorije generalizovane hidrodinamike, koja opisuje takav gas kao fluid sastavljen od više vrsta čestica, uključujući nizove različitih veličina, i prati kako se svaka vrsta kreće tokom vremena umjesto da prati svaki pojedinačni atom.

Nägerl je, međutim, oprezan i to ne naziva dokazom. „To što se neka teorija poklapa s vašim podacima nije dokaz da nešto postoji“, rekao je, dodajući da je riječ samo o još jednom dokazu u prilog.

Kratkotrajno stanje

Nizovi vjerovatno ne preživljavaju dugo — atomi i dalje osjećaju trodimenzionalni svijet i na kraju prelaze u obične cezijumove molekule. U najhladnijim eksperimentima tim je izgubio oko 40 posto atoma. „Prelazno stvarate ta Bethe-string stanja“, kazao je Nägerl. „Ali ne mislim da su dugovječna.“

Nägerl ima ideju za buduće eksperimente. Fizičari su nedavno naučili da mikrotalasima štite ultrahladne molekule od sudara na bliskoj udaljenosti — nizovi napravljeni od takvih zaštićenih molekula možda bi trajali dovoljno dugo da se proučavaju direktno, ali Nägerl naglašava da ta ideja nije testirana. „Još niko nije provjerio moje tvrdnje teorijski, ali mislim da bi intuitivno ovo trebalo da radi“, rekao je. Druga opcija je kvantno-gasna mikroskopija, koja slika atome jedan po jedan i mogla bi ponuditi direktinije dokaze o pojedinačnim nizovima.

Za Nägerla su Betheovi nizovi jedan korak u razumijevanju toga kako se kvantni sistemi s mnogo čestica ponašaju i kako se vremenom smiruju. Njegov dugoročni cilj je eksperiment u kojem bi fizičari kontrolisali i to kako se svaka čestica kreće i kako se njen spin okreće, omogućavajući im da modelske materijale sastavljaju dio po dio, „poput LEGO kockica“, kako je rekao.

Njegov tim je već počeo sa sljedećim korakom: korištenjem lasera za kontrolu spinova atoma u jednodimenzionalnom gasu. Betheove nizove Nägerl je opisao kao „malo skretanje pažnje“. Ali pošto se nizovi stvaraju kad god se atomi privlače, ne mogu se zanemariti.