Nobel ödüllü Hans Bethe'in 1931 tahmini, ultrasonuk soğuk gazda 'Bethe dizileri' olarak gerçeğe dönüştü
Nobel ödüllü fizikçi Hans Bethe'in bir boyutlu kuantum sistemlerinde parçacıkların bağlanabileceğini öngördüğü 'Bethe dizileri', Avusturya ve Avrupa işbirliğiyle ultrasonuk soğuk sezyum gazında deneysel olarak yaratıldı ve gözlemlendi.
1931 yılında Nobel ödüllü Hans Bethe, bir boyutlu kuantum sistemlerinde parçacıkların birbirine bağlanarak toplu hâlde hareket edebileceğini öngörmüş ve bu yapıları daha sonra "Bethe dizileri" olarak adlandırmıştı. Neredeyse bir asır sonra, Avusturya Innsbruck Üniversitesi'nden Hanns‑Christoph Nägerl liderliğindeki bir ekip, bu teorik öngörüyü laboratuvar ortamına taşıyarak, ultrasonuk bir sezyum bulutunda bu garip kuantum bağlarını doğrudan oluşturdu ve gözlemledi.
Deney, sezyum atomlarını mutlak sıfırın sadece birkaç milyardıncı derecesi kadar üzerine soğutarak başladı. Soğutulan atom bulutu, binlerce son derece dar bir tüp içine bölündü; her bir tüp, atomların yalnızca tek bir eksende hareket etmesine izin veren bir bir‑boyutlu ortam sağladı. Bu ortam, Bethe dizilerinin var olabilmesi için gerekli koşulu – bir boyutlu kısıtlamayı – tam anlamıyla sağladı. Araştırmacılar, atomlar arasındaki etkileşimi repulsif (itici) durumdan atraktif (çekici) duruma geçirecek şekilde hassas bir şekilde ayarlayabildiler.
Çekici etkileşimler devreye girdiğinde, atomlar rastgele bir kütleye çökmek yerine, farklı büyüklükte bağlanmış gruplar oluşturdu. En büyük gözlemlenen kümeler, altı ya da daha fazla atomdan oluşan "Bethe dizileri" idi. Bu bağların kimyasal bağlardan temel farkı, atomların birbirine kimyasal bir bağla bağlanmaması; bunun yerine, kuantum etkileşimleri sayesinde bir arada kalmalarıdır ve bu durum yalnızca bir boyutlu sistemlerde mümkündür.
Bethe dizilerinin gerçekten bağlanmış olduğunu kanıtlamak için iki ayrı genişleme deneyi gerçekleştirildi. İlk deneyde, tüpler hâlâ varlığını sürdürürken atomlar serbest bırakıldı ve bir‑boyutlu ortam içinde genişledi. Bu süreçte diziler birbirleriyle çarpıştı, ancak bağları bozulmadı; Milena Horváth, "Diziler çarpışırken parçalanmıyor, bu olağanüstü bir özellik" dedi. İkinci deneyde ise tüpler kaldırıldı ve atomlar üç boyutlu boşluğa serbest bırakıldı. Bir‑boyutlu kısıtlamanın ortadan kalkmasıyla Bethe dizileri çözüldü, bağları tutan enerji hareket enerjisine dönüştü ve atomlar çok daha hızlı dağıldı. Repulsif etkileşimlerde iki deney arasında enerji farkı görülmezken, atraktif etkileşimde üç‑boyutlu genişleme sırasında ekstra bir enerji ortaya çıktı; bu fark, Bethe dizilerinin varlığının kesin bir göstergesi oldu.
Bu bulgu, kuantum çok‑parçacıklı sistemlerin incelenmesinde yeni bir laboratuvar platformu sunuyor. Daha önce Bethe dizileri, katı hal manyetik sistemlerde dolaylı olarak tespit edilmişti; ancak ultrasonuk atomik gaz ortamı, araştırmacılara geometrik yapı, parçacık yoğunluğu ve etkileşim gücünü olağanüstü bir hassasiyetle kontrol etme imkânı tanıyor. "Bu, Bethe dizilerini laboratuvarda yaratıp, manipüle edip, çarpıştırarak çarpışma kararlılıklarını inceleyebileceğimiz anlamına geliyor" diyen Sudipta Dhar, çalışmanın kuantum çok‑parçacıklı fiziğinde yeni bir pencere açtığını vurguladı.
Projenin finansmanı, Avusturya Bilim Fonu (FWF) Wittgenstein Ödülü, Avrupa Birliği ERC hibesi ve Birleşik Krallık'ın Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) gibi uluslararası kuruluşlardan sağlandı. Milena Horváth, FWF doktora programı Atoms, Light and Molecules (DK‑ALM) kapsamında bu araştırmaya katkıda bulundu.
