Riassunto:
Una previsione della meccanica quantistica nata nel 1931 è stata finalmente realizzata con successo dagli scienziati quasi un secolo dopo.
Un gruppo di ricerca dell’Università di Innsbruck in Austria, dell’Università di Amsterdam nei Paesi Bassi e dell’Università Tecnica di Monaco in Germania hanno annunciato di aver creato e osservato direttamente per la prima volta speciali strutture quantistiche chiamate “Stringhe di Bethe” in gas atomici ultrafreddi. Questo risultato non solo verifica la previsione teorica proposta dal fisico tedesco Hans Bethe quasi un secolo fa, ma fornisce anche una nuova piattaforma sperimentale per lo studio dei sistemi quantistici a molti corpi.
Bate propose nel 1931 che in alcuni sistemi quantistici speciali, le particelle possono formare uno stato legato unico. Questi gruppi di particelle sono chiamati stringhe di Bethe e possono esistere solo in un ambiente unidimensionale, cioè in un sistema in cui le particelle possono muoversi solo lungo una linea retta.
A differenza delle molecole tradizionali, le stringhe di Bet non si basano su legami chimici per mantenere la loro struttura, ma rimangono combinate interamente attraverso le interazioni quantistiche tra le particelle. Per questo motivo è stata a lungo considerata una delle previsioni più eleganti e difficili da testare della teoria quantistica a molti corpi.
Nel corso degli ultimi decenni, gli scienziati hanno osservato indirettamente fenomeni legati alle stringhe di Bethe nei materiali magnetici allo stato solido. Ma questi sistemi non hanno sufficiente controllabilità, rendendo difficile per i ricercatori regolare con precisione le interazioni tra le particelle.
Ora, il gruppo di ricerca è riuscito per la prima volta a costruire con successo una stringa Bethe in un gas atomico ultrafreddo, creando un ambiente ideale per studiarne ulteriormente le proprietà.
Sudipta Dhar, uno dei leader dello studio, ha affermato che le stringhe di Bethe sono apparse nelle teorie matematiche che descrivono sistemi quantistici a molti corpi quasi un secolo fa. Ora i ricercatori non solo possono crearli in laboratorio, ma anche manipolarli, farli scontrare e studiarne la sorprendente stabilità.
Per consentire la formazione delle stringhe di Bethe, il team ha prima raffreddato gli atomi di cesio fino a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. Hanno poi utilizzato un dispositivo speciale per distribuire gli atomi in migliaia di tubi microscopici estremamente stretti.
La funzione di questi tubi è quella di limitare la direzione del movimento degli atomi in modo che le particelle possano muoversi quasi solo in linea retta, creando così l'ambiente quantistico unidimensionale richiesto dalla teoria.
Dopo aver stabilito questo sistema, i ricercatori hanno adattato la natura dell'interazione tra gli atomi, convertendo lo stato originariamente di esclusione reciproca in attrazione reciproca.
Intuitivamente, una forte attrazione potrebbe causare il collasso dell'intera nuvola di atomi. Tuttavia, gli esperimenti hanno scoperto che il sistema non è collassato, ma ha formato più cluster legati stabili. Questi cluster variano in dimensioni, con alcune strutture contenenti più di sei particelle raggruppate insieme.
Il gruppo di ricerca ha confermato che questi ammassi speciali sono esattamente le stringhe Bethe previste dalla teoria di Hans Bethe del 1931.
Questo esperimento sui gas ultrafreddi presenta evidenti vantaggi rispetto alle osservazioni precedenti effettuate su materiali solidi. I ricercatori non solo possono regolare la densità delle particelle, ma anche controllare con precisione la geometria del sistema e l’intensità delle interazioni tra le particelle, consentendo loro di studiare la formazione e l’evoluzione delle stringhe di Beit con un grado di libertà senza precedenti.
Gli scienziati hanno affermato che questo risultato non è solo un'importante verifica della teoria quantistica classica, ma aiuta anche a comprendere a fondo il comportamento complesso dei sistemi quantistici unidimensionali.
Poiché lo sviluppo dell'informatica quantistica, della simulazione quantistica e dei futuri sistemi di comunicazione quantistica si basano tutti sulla comprensione dei fenomeni quantistici a molti corpi, si prevede che la ricerca sulle stringhe di Bethe diventerà un'importante base teorica e sperimentale in campi correlati.
Dalla derivazione matematica nel 1931 alla realizzazione sperimentale nel 2026, questo viaggio scientifico durato 95 anni è finalmente giunto al termine. Per la comunità della fisica quantistica questa non è la fine, ma un nuovo punto di partenza per esplorare strutture quantistiche più complesse.
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