پیش‌بینی کوانتومی ۱۹۳۱ بالاخره به واقعیت پیوست

فیزیکدانان در اینسبروک پیش‌بینی قرن گذشته هانس بته را در یک گاز فوق‌العاده سرد تحقق بخشیدند. اعتبار: دانشگاه اینسبروک

در سال ۱۹۳۱، فیزیکدان هانس بته پیشنهاد کرد که ذرات در سیستم‌های کوانتومی خاص که به یک بعد محدود شده‌اند، می‌توانند به حالت‌های جمعی که اکنون رشته‌های بته نامیده می‌شوند، ملحق شوند. این ساختارها تفاوت اساسی با مولکول‌های آشنا دارند. به جای اینکه از طریق پیوندهای شیمیایی به هم متصل شوند، ذرات به دلیل اندرکنش‌های خود با یکدیگر متصل باقی می‌مانند و حالت‌های حاصل فقط می‌توانند در یک بعد وجود داشته باشند.

برای بخش عمده‌ای از قرن گذشته، رشته‌های بته عمدتاً یک ایده نظری بود. محققان دانشگاه اینسبروک اکنون این حالت‌های چند ذره‌ای متصل را در یک گاز فوق‌العاده سرد ایجاد و شناسایی کرده‌اند و با تیم‌های نظری از بخش فیزیک تجربی دانشگاه آمستردام و دانشگاه فنی مونیخ همکاری می‌کنند. نتایج در Nature Communications منتشر شد.

ایجاد رشته‌های بته در نزدیکی صفر مطلق

برای تولید حالت‌های کوانتومی غیرمعمول، محققان با یک ابر اتم‌های سزیم شروع کردند که فقط چند میلیاردیم درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شده بودند. سپس ابر را به چند هزار لوله بسیار باریک جدا کردند.

در داخل هر لوله، اتم‌ها به طور موثری به حرکت در یک جهت محدود شده‌اند و محیط یک‌بعدی مورد نیاز برای وجود رشته‌های بته را ایجاد می‌کنند. محققان همچنین می‌توانند به طور دقیق میزان اندرکنش اتم‌ها را تنظیم کنند.

با تغییر این اندرکنش‌ها از دافعه به جاذبه، تیم باعث شد اتم‌ها به هم متصل شوند. به جای اینکه صرفاً به یک گروه فرو بریزند، اتم‌ها حالت‌های متصل با اندازه‌های مختلف را تشکیل دادند. برخی از خوشه‌های بزرگتر شامل شش یا بیشتر ذره بودند.

تماشای برخورد رشته‌های کوانتومی

چالش بعدی نشان دادن این بود که این ذرات واقعاً به هم متصل هستند.

«یکی از ساده‌ترین آزمایش‌ها اجازه دادن به گسترش رشته‌ها بود»، می‌گوید میلنا هوروات، یکی از نویسندگان اصلی.

محققان ابتدا به اتم‌ها اجازه دادند در حالی که آن‌ها را در لوله‌های یک‌بعدی خود به دام انداخته بودند، پخش شوند. در طول این گسترش، رشته‌ها با یکدیگر برخورد کردند، اما ساختارهای متصل زنده ماندند.

«این ویژگی قابل توجه رشته‌ها است: آن‌ها می‌توانند بدون از هم پاشیدن برخورد کنند»، می‌گوید میلنا هوروات.

سپس دانشمندان نسخه دوم آزمایش را انجام دادند که در آن محدودیت را حذف کردند و اجازه دادند اتم‌ها آزادانه در فضای سه بعدی گسترش یابند. از آنجایی که رشته‌های بته فقط می‌توانند در یک بعد وجود داشته باشند، آزاد کردن اتم‌ها در سه بعد باعث از هم پاشیدن حالت‌های متصل شد.

انرژی که ذرات را به هم متصل نگه داشته بود، سپس به حرکت تبدیل شد و باعث شد اتم‌ها سریع‌تر پخش شوند. مقایسه دو نوع گسترش به محققان راهی روشن برای شناسایی وجود رشته‌های بته داد.

هنگامی که ذرات جدا بودند، همانطور که بودند وقتی اندرکنش‌ها دافعه بودند، هر دو اندازه‌گیری گسترش اساساً انرژی یکسانی تولید کردند. با این حال، هنگامی که رشته‌های بته وجود داشتند، گسترش سه بعدی انرژی اضافی آزاد شده در هنگام از هم پاشیدن حالت‌های متصل را شامل می‌شد.

آزمایشگاهی جدید برای فیزیک کوانتومی چند ذره‌ای

«رشته‌های بته تقریباً یک قرن پیش به عنوان بخشی از یک توصیف ریاضی زیبا از سیستم‌های کوانتومی چند ذره‌ای پیش‌بینی شده بودند»، می‌گوید سودیپتا دار، یکی دیگر از نویسندگان اصلی. «اکنون می‌توانیم آن‌ها را در آزمایشگاه ایجاد کنیم، آن‌ها را دستکاری کنیم و باعث برخورد آن‌ها شویم و پایداری برخورد شگفت‌انگیز آن‌ها را بررسی کنیم.»

رشته‌های بته قبلاً به صورت تجربی در سیستم‌های مغناطیسی حالت جامد شناسایی شده‌اند. کار جدید این حالت‌های کوانتومی غیرمعمول متصل را در یک محیط بسیار متفاوت قرار می‌دهد: یک گاز اتمی فوق‌العاده سرد که در آن محققان می‌توانند هندسه سیستم، چگالی ذرات و اندرکنش‌ها را با دقت استثنایی کنترل کنند.

«این امکانات جدیدی را برای مطالعه چگونگی تشکیل و اندرکنش این اشیاء کوانتومی جمعی باز می‌کند»، می‌گوید نظریه‌پرداز اصلی، آلویز باستینلو.

این تحقیق توسط صندوق علم اتریش FWF از طریق کمک هزینه ویتگنشتاین، اتحادیه اروپا از طریق کمک هزینه ERC و شورای تحقیقات مهندسی و فیزیک بریتانیا تأمین مالی شد. میلنا هوروات عضو برنامه دکتری FWF Atoms، Light and Molecules (DK-ALM) است.