Một ý tưởng từ năm 1931
Năm 1931, nhà vật lý Hans Bethe đề xuất rằng các hạt trong một số hệ lượng tử một chiều nhất định có thể kết hợp thành các trạng thái tập thể. Những trạng thái đó sau này mang tên ông. Không giống như phân tử, chuỗi Bethe không được giữ với nhau bằng liên kết hóa học. Các hạt vẫn bị ràng buộc vì cách chúng tương tác, và các trạng thái chỉ có thể tồn tại trong một chiều.
Trong gần một thế kỷ, chúng chủ yếu là một ý tưởng lý thuyết. Một nhóm tại Đại học Innsbruck hiện đã tạo ra và phát hiện chúng trong một khí nguyên tử siêu lạnh, làm việc với các nhóm lý thuyết tại Đại học Amsterdam và Đại học Kỹ thuật Munich. Công trình được công bố trên Nature Communications.
Nguyên tử lạnh trong các ống hẹp
Thí nghiệm, do Hanns-Christoph Naegerl dẫn đầu, bắt đầu với một đám mây nguyên tử caesium được làm lạnh xuống trong vòng vài phần tỷ độ của độ không tuyệt đối. Các nhà nghiên cứu sau đó tách đám mây thành vài nghìn ống rất hẹp. Bên trong mỗi ống, các nguyên tử chỉ có thể di chuyển theo một hướng, tạo ra môi trường một chiều mà các chuỗi cần.
Nhóm cũng có thể điều chỉnh mức độ tương tác mạnh yếu của các nguyên tử. Khi họ thay đổi tương tác từ đẩy sang hút, các nguyên tử liên kết với nhau. Thay vì sụp đổ thành một nhóm duy nhất, chúng tạo thành các trạng thái liên kết với nhiều kích thước khác nhau, và một số cụm lớn hơn chứa sáu hạt trở lên.
Va chạm mà không phá vỡ chuỗi
Phần khó là chứng minh các hạt thực sự bị ràng buộc. Một thử nghiệm cho các chuỗi mở rộng trong khi vẫn bị giới hạn trong ống của chúng. Khi chúng mở rộng, các chuỗi gặp nhau và va chạm, nhưng các cấu trúc liên kết vẫn tồn tại. “Đây là một đặc điểm đáng chú ý của các chuỗi: chúng có thể va chạm mà không vỡ ra,” tác giả chính Milena Horvath nói.
Một thử nghiệm thứ hai loại bỏ sự giới hạn và để các nguyên tử lan ra trong không gian ba chiều. Vì chuỗi Bethe chỉ tồn tại trong một chiều, các trạng thái liên kết vỡ ra, và năng lượng đã giữ chúng chuyển thành chuyển động. Các nguyên tử sau đó lan nhanh hơn, và năng lượng thêm đó cho các nhà nghiên cứu một dấu hiệu rõ ràng về các chuỗi.
Nhóm cho biết hệ thống này cung cấp một nền tảng mới có thể kiểm soát để nghiên cứu vật lý nhiều hạt lượng tử. Chuỗi Bethe đã từng được thấy trước đây trong nam châm trạng thái rắn, nhưng nguyên tử lạnh cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh hình học, mật độ và cường độ tương tác với độ chính xác cao.