Neredeyse bir asır önce fizikçi Hans Bethe’nin öngördüğü tuhaf kuantum durumları olan Bethe dizileri, ultra soğuk bir gazda oluşturuldu ve doğrudan gözlendi. Sezyum atomları mutlak sıfıra yakın soğutuldu ve binlerce ince tek boyutlu tüpte hapsedildi. Araştırmacılar, atomların olağan kimyasal bağlar olmadan bir araya gelmesini sağladı. Bu tuhaf kümeler altıdan fazla parçacık içerebildi ve birbirleriyle çarpışsa bile dağılmadı.
Nobel ödüllü Hans Bethe’nin varlığını öngördüğü yaklaşık bir asır sonra bilim insanları, kuantum fizikçisi Hanns-Christoph Nägerl önderliğindeki deneyle ultra soğuk atomlar kullanarak Bethe dizileri olarak bilinen alışılmadık kuantum yapıları oluşturdu ve gözlemledi. Deney, araştırmacılara bu alışılmadık kuantum çok-parçacık durumlarını yüksek düzeyde kontrol edilebilir şekilde keşfetme imkanı veriyor.
1931’de fizikçi Hans Bethe, tek boyutta kısıtlı belirli kuantum sistemlerindeki parçacıkların Bethe dizileri olarak adlandırılan kolektif durumlar halinde bir araya gelebileceğini öne sürdü. Bu yapılar tanıdık moleküllerden kökten farklı. Parçacıklar kimyasal bağlarla değil, birbirleriyle olan etkileşimleri sayesinde bağlı kalıyor ve bu durumlar yalnızca tek boyutta var olabiliyor.
Geçtiğimiz yüzyılın büyük bölümünde Bethe dizileri ağırlıklı olarak teorik bir fikir olarak kaldı. Innsbruck Üniversitesi’ndeki araştırmacılar şimdi Amsterdam Üniversitesi Deneysel Fizik Bölümü ve Münih Teknik Üniversitesi’nden teori ekipleriyle birlikte çalışarak ultra soğuk bir gazda bu çok-parçacık bağlı durumları oluşturdu ve tespit etti. Sonuçlar Nature Communications’da yayımlandı.
Mutlak Sıfıra Yakın Bethe Dizileri Oluşturmak
Alışılmadık kuantum durumlarını üretmek için araştırmacılar, mutlak sıfırın yalnızca birkaç milyarda biri derece üzerinde soğutulmuş bir sezyum atomu bulutu ile başladı. Bulutu daha sonra birkaç bin son derece dar tüpe ayırdılar.
Her tüp içinde atomlar etkin olarak tek bir doğrultuda hareket etmekle sınırlı kaldı ve bu da Bethe dizilerinin var olması için gereken tek boyutlu ortamı oluşturdu. Araştırmacılar atomların ne kadar güçlü etkileştiğini de hassas şekilde ayarlayabildi.
Bu etkileşimleri itici olandan çekici olana değiştirerek ekip atomların birbirine bağlanmasını sağladı. Atomlar tek bir grup halinde çökmedi, bunun yerine birkaç farklı boyutta bağlı durumlar oluşturdu. Daha büyük kümelerden bazıları altıdan fazla parçacık içeriyordu.
Kuantum Dizilerinin Çarpışması
Bu parçacıkların gerçekten birbirine bağlı olduğunu göstermek bir sonraki zorluktu.
Baş yazarlardan Milena Horvath, “En basit deneylerden biri dizilerin genişlemesine izin vermekti” dedi.
Araştırmacılar önce atomların tek boyutlu tüplerinin içinde kalırken yayılmasına izin verdi. Bu genişleme sırasında diziler birbirleriyle karşılaştı ve çarpıştı, ancak bağlı yapılar sağ kaldı.
Horvath, “Bu dizilerin dikkat çekici bir özelliği: parçalanmadan çarpışabiliyorlar” diye konuştu.
Bilim insanları daha sonra kısıtlamayı kaldırıp atomların üç boyutlu uzayda serbestçe genişlemesine izin verdikleri ikinci bir deney versiyonu gerçekleştirdi. Bethe dizileri yalnızca tek boyutta var olabildiği için atomlar üç boyuta salındığında bağlı durumlar parçalandı.
Parçacıkları bir arada tutan enerji daha sonra harekete dönüştü ve atomların daha hızlı dağılmasına neden oldu. İki farklı genişleme türünü karşılaştırmak araştırmacılara Bethe dizilerinin varlığını net şekilde tanımlama yolu verdi.
Parçacıklar etkileşimler itici olduğunda bağlı olmadıkları durumda her iki genişleme ölçümü de esasen aynı enerjiyi üretti. Bethe dizileri mevcut olduğunda ise üç boyutlu genişleme, bağlı durumlar parçalanırken açığa çıkan ek enerjiyi içeriyordu.
Kuantum Çok-Parçacık Fiziği İçin Yeni Bir Laboratuvar
Başka bir baş yazar Sudipta Dhar, “Bethe dizileri neredeyse bir asır önce kuantum çok-parçacık sistemlerinin güzel matematiksel betimlemesinin bir parçası olarak öngörüldü. Şimdi onları laboratuvarda oluşturabiliyor, manipüle edebiliyor, çarpıştırabiliyor ve çarpışma kararlılıklarını araştırabiliyoruz” dedi.
Bethe dizileri daha önce katı hal manyetik sistemlerde deneysel olarak tespit edilmişti. Yeni çalışma bu alışılmadık kuantum bağlı durumlarını çok farklı bir ortama, araştırmacıların sistemin geometrisini, parçacık yoğunluğunu ve etkileşimlerini olağanüstü hassasiyetle kontrol edebildiği ultra soğuk atomik bir gaza yerleştiriyor.
Baş teorisyen Alvise Bastianello, “Bu, bu kolektif kuantum nesnelerinin nasıl oluştuğunu ve etkileşime girdiğini incelemek için yeni olanaklar açıyor” dedi.
Araştırma Avusturya Bilim Fonu FWF’nin Wittgenstein Ödülü hibesi, Avrupa Birliği’nin ERC hibesi ve İngiltere Mühendislik ve Fiziksel Bilimler Araştırma Konseyi tarafından desteklendi. Milena Horvath, FWF doktora programı Atoms, Light and Molecules üyesidir.
