Un'idea del 1931
Nel 1931 il fisico Hans Bethe propose che le particelle in certi sistemi quantistici unidimensionali potessero unirsi in stati collettivi. Quegli stati presero poi il suo nome. A differenza delle molecole, le stringhe di Bethe non sono tenute insieme da legami chimici. Le particelle restano legate per il modo in cui interagiscono, e gli stati possono esistere solo in una dimensione.
Per la maggior parte di un secolo sono rimaste principalmente un'idea teorica. Un team dell'Università di Innsbruck le ha ora create e rilevate in un gas di atomi ultrafreddi, lavorando con gruppi teorici dell'Università di Amsterdam e dell'Università Tecnica di Monaco. Il lavoro è stato pubblicato su Nature Communications.
Atomi freddi in tubi stretti
L'esperimento, guidato da Hanns-Christoph Naegerl, è partito da una nube di atomi di cesio raffreddata a pochi miliardesimi di grado dallo zero assoluto. I ricercatori hanno poi separato la nube in diverse migliaia di tubi molto stretti. All'interno di ogni tubo gli atomi possono muoversi in una sola direzione, il che crea l'ambiente unidimensionale di cui le stringhe hanno bisogno.
Il team può anche regolare quanto fortemente gli atomi interagiscono. Quando hanno cambiato le interazioni da repulsive ad attrattive, gli atomi si sono legati insieme. Invece di collassare in un unico gruppo, hanno formato stati legati di diverse dimensioni, e alcuni dei cluster più grandi contenevano sei o più particelle.
Collisioni che lasciano intatte le stringhe
La parte difficile è stata dimostrare che le particelle erano veramente legate. Un test ha lasciato espandere le stringhe mentre erano ancora confinate nei loro tubi. Mentre si espandevano, le stringhe si incontravano e collidevano, eppure le strutture legate sopravvivevano. "Questa è una caratteristica notevole delle stringhe: possono collidere senza disintegrarsi", ha detto l'autrice principale Milena Horvath.
Un secondo test ha rimosso il confinamento e ha lasciato diffondere gli atomi nello spazio tridimensionale. Poiché le stringhe di Bethe esistono solo in una dimensione, gli stati legati si sono disgregati, e l'energia che li aveva tenuti si è trasformata in movimento. Gli atomi si sono poi diffusi più velocemente, e quell'energia extra ha fornito ai ricercatori una chiara firma delle stringhe.
Il gruppo afferma che il sistema offre una nuova piattaforma controllabile per studiare la fisica quantistica a molti corpi. Le stringhe di Bethe erano già state osservate in magneti allo stato solido, ma gli atomi freddi permettono ai ricercatori di regolare geometria, densità e forza di interazione con alta precisione.