Científicos crean y observan estructuras cuánticas predichas en 1931 por Hans Bethe

Investigadores de la Universidad de Innsbruck realizaron un avance significativo en la física cuántica al crear y observar estructuras cuánticas inusuales llamadas "Bethe strings", casi un siglo después de que el físico Hans Bethe predijera su existencia. Este experimento, dirigido por el físico cuántico Hanns-Christoph Nägerl, proporciona a los científicos una forma altamente controlable de explorar estos estados cuánticos colectivos.

En 1931, Hans Bethe propuso que las partículas en ciertos sistemas cuánticos restringidos a una dimensión podían unirse en estados colectivos ahora conocidos como cuerdas de Bethe. Estas estructuras se diferencian fundamentalmente de las moléculas familiares, ya que no están conectadas a través de enlaces químicos, sino que permanecen unidas gracias a sus interacciones mutuas, existiendo únicamente en una dimensión.

Durante gran parte del siglo pasado, las cuerdas de Bethe fueron principalmente una idea teórica. Sin embargo, el equipo de la Universidad de Innsbruck logró crear y detectar estos estados ligados de múltiples partículas en un gas ultracálido, colaborando con equipos teóricos del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Ámsterdam y de la Universidad Técnica de Múnich. Los resultados fueron publicados en la revista Nature Communications.

Creación de cuerdas de Bethe cerca del cero absoluto

Para producir estos estados cuánticos inusuales, los investigadores comenzaron con una nube de átomos de cesio enfriados a solo unos pocos milésimas de grado por encima del cero absoluto. Luego, separaron la nube en miles de tubos unidimensionales extremadamente estrechos.

Dentro de cada tubo, los átomos están restringidos a moverse en una sola dirección, creando el entorno unidimensional necesario para que existan las cuerdas de Bethe. Además, los investigadores pueden ajustar con precisión la fuerza de las interacciones entre los átomos.

Al modificar estas interacciones de repulsivas a atractivas, el equipo logró que los átomos se unieran. En lugar de colapsar en un solo grupo, los átomos formaron estados ligados de diferentes tamaños, algunos de los cuales contenían seis o más partículas.

Observando la colisión de cuerdas cuánticas

El siguiente desafío fue demostrar que estas partículas estaban realmente unidas. "Uno de los experimentos más simples fue permitir que las cuerdas se expandieran", comentó Milena Horvath, una de las autoras principales.

Los investigadores permitieron que los átomos se dispersaran mientras los mantenían atrapados dentro de sus tubos unidimensionales. Durante esta expansión, las cuerdas se encontraron y colisionaron, y las estructuras ligadas sobrevivieron. "Esta es una característica notable de las cuerdas: pueden chocar sin romperse", añadió Horvath.

Luego, los científicos realizaron una segunda versión del experimento en la que eliminaron la confinación y permitieron que los átomos se expandieran libremente en el espacio tridimensional. Dado que las cuerdas de Bethe solo pueden existir en una dimensión, liberar los átomos en tres dimensiones hizo que los estados ligados se desmoronaran.

La energía que mantenía a las partículas unidas se transformó en movimiento, haciendo que los átomos se separaran más rápidamente. Comparar los dos tipos de expansión brindó a los investigadores una forma clara de identificar la presencia de cuerdas de Bethe.

Cuando las partículas estaban desunidas, como cuando las interacciones eran repulsivas, ambas medidas de expansión producían esencialmente la misma energía. Sin embargo, cuando estaban presentes las cuerdas de Bethe, la expansión tridimensional contenía energía adicional liberada al romperse los estados ligados.

Un nuevo laboratorio para la física cuántica de múltiples cuerpos

Las cuerdas de Bethe fueron predichas hace casi un siglo como parte de una hermosa descripción matemática de los sistemas cuánticos de múltiples cuerpos, explicó Sudipta Dhar, otro autor principal. "Ahora podemos crearlas en el laboratorio, manipularlas, hacerlas colisionar y explorar su notable estabilidad colisional".

Las cuerdas de Bethe ya habían sido detectadas experimentalmente en sistemas magnéticos de estado sólido. Este nuevo trabajo coloca estos inusuales estados cuánticos ligados en un entorno muy diferente: un gas atómico ultracálido donde los investigadores pueden controlar la geometría del sistema, la densidad de partículas y las interacciones con una precisión excepcional. "Esto abre nuevas posibilidades para estudiar cómo se forman e interactúan estos objetos cuánticos colectivos", concluyó Alvise Bastianello, el principal teórico del estudio.

La investigación recibió financiamiento del Fondo de Ciencia de Austria a través de una subvención del Premio Wittgenstein, de la Unión Europea a través de una subvención del ERC, y del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido. Milena Horvath es miembro del programa doctoral del FWF sobre Átomos, Luz y Moléculas.