Una fila di atomi di cesio ultrafreddi ha fornito nuove prove a sostegno delle «stringhe di Bethe»: gruppi di particelle legate tra loro che, secondo una teoria quantistica formulata quasi un secolo fa, possono muoversi come un’unica entità. In alcuni casi, le stringhe osservate indirettamente sembrano comprendere almeno sei atomi. I risultati, pubblicati il 29 agosto su Nature Communications, non dimostrano che queste strutture esistano, ma sono coerenti con le previsioni teoriche.
La teoria risale al 1931, quando i fisici cercavano di spiegare il magnetismo dei materiali con la meccanica quantistica. Il giovane fisico Hans Bethe studiò una fila di elettroni, ciascuno con uno spin — una proprietà quantistica che può essere orientata verso l’alto o verso il basso. Le sue equazioni descrivevano come alcuni spin capovolti potessero legarsi e propagarsi lungo la fila come un’unica entità. In seguito si scoprì che il metodo matematico di Bethe poteva descrivere anche particelle più grandi, come gli atomi, che si muovono lungo una linea. Se si attraggono, le equazioni prevedono che formino gruppi chiamati stringhe di Bethe.
A condurre il nuovo esperimento è stato un gruppo guidato dal fisico sperimentale Hanns-Christoph Nägerl, dell’Università di Innsbruck. La ricerca affronta una questione fondamentale: come si comportano sistemi composti da molte particelle che interagiscono tra loro? Prevedere il comportamento di materiali come i magneti o i chip dei telefoni è difficile proprio perché contengono un numero enorme di particelle. Gli atomi ultrafreddi, invece, permettono di creare sistemi più semplici e regolabili, utili per studiare queste interazioni.
In passato erano già state individuate piccole stringhe di Bethe nei cristalli magnetici e nei circuiti quantistici superconduttori, ma gli esperimenti ne avevano osservata una alla volta. La teoria prevede che gruppi di stringhe di dimensioni diverse possano influenzare il comportamento dell’intero sistema: per verificarlo servono quindi molte stringhe contemporaneamente. Con gli atomi, però, crearle è complicato. Quando si attraggono in tre dimensioni, tendono a collassare in un ammasso e a formare molecole; il processo libera energia, che può espellere gli atomi dall’esperimento.
In una sola dimensione, invece, gli atomi non possono superarsi e il collasso è evitato. «In fondo sono un po’ come perle infilate su un filo, no? Come in una collana, non possono superarsi», ha spiegato Nägerl a Live Science. «In tre dimensioni collasserebbe tutto. Ma in una dimensione non succede».
Per preparare queste «collane», i ricercatori sono partiti da decine di migliaia di atomi di cesio e li hanno raffreddati fino a ottenere un condensato di Bose-Einstein: uno stato della materia in cui atomi portati a temperature prossime allo zero assoluto condividono un unico stato quantistico. Con fasci laser hanno poi suddiviso il condensato in migliaia di tubi sottili, ciascuno con fino a qualche decina di atomi disposti in fila. All’inizio gli atomi si respingevano; un campo magnetico ha permesso di ridurre gradualmente la repulsione, annullarla e infine trasformarla in attrazione. In questo modo il gruppo sembra aver prodotto contemporaneamente stringhe di dimensioni diverse, alcune composte da più di sei atomi.
I ricercatori non hanno fotografato direttamente le stringhe. Hanno lasciato espandere gli atomi e misurato la velocità con cui si allargava la nube. Quando l’espansione era limitata ai tubi, le eventuali stringhe restavano intatte. Liberando invece gli atomi in tutte e tre le dimensioni, le stringhe si disgregavano e la loro energia di legame si trasformava in movimento. Le nubi tridimensionali si sono espanse con un’energia circa tre volte superiore a quella delle nubi unidimensionali. Da questa differenza il gruppo ha stimato quanto fossero legati gli atomi: i risultati indicavano stringhe di almeno sei atomi.
Le misurazioni erano inoltre in buon accordo con l’idrodinamica generalizzata, una teoria che descrive il gas come un fluido composto da diversi tipi di particelle, comprese stringhe di varie dimensioni. Il modello segue nel tempo il flusso di ciascun tipo di particella, senza dover tracciare ogni singolo atomo.
Nägerl ha invitato alla cautela: «Il fatto che una teoria si adatti ai dati non dimostra che qualcosa esista», ha detto. «È soltanto un’ulteriore prova a suo sostegno».
Le stringhe potrebbero essere di breve durata. Da vicino, gli atomi risentono comunque delle tre dimensioni e, col tempo, le strutture decadono trasformandosi in normali molecole di cesio. Negli esperimenti alle temperature più basse, il gruppo ha perso circa il 40% degli atomi. «Si creano transitoriamente questi stati di stringhe di Bethe», ha detto Nägerl. «Ma non credo che siano longevi».
Per studiarle più a lungo, Nägerl propone di ricorrere a molecole ultrafredde schermate con le microonde, una tecnica che i fisici hanno imparato di recente a usare per impedire alle molecole di scontrarsi a distanza ravvicinata. Le stringhe formate da molecole schermate potrebbero durare abbastanza da essere osservate direttamente. L’idea, però, non è stata verificata. «Non ho ancora fatto controllare le mie ipotesi da nessuno, ma intuitivamente penso che dovrebbe funzionare», ha detto.
Un’altra strada è la microscopia quantistica dei gas, che consente di acquisire immagini degli atomi uno alla volta e potrebbe offrire prove più dirette delle singole stringhe. Per Nägerl, queste strutture aiutano a comprendere come si comportano e si evolvono nel tempo i sistemi quantistici composti da molte particelle. Il suo obiettivo a lungo termine è realizzare un esperimento in cui sia possibile controllare il movimento di ogni particella e il capovolgimento del suo spin, costruendo materiali modello pezzo per pezzo, «come con i LEGO», ha detto.
Il gruppo ha già avviato la fase successiva, usando i laser per controllare gli spin degli atomi nel gas unidimensionale. Nägerl ha definito le stringhe di Bethe «una piccola digressione», ma ha aggiunto che non possono essere ignorate: si formano ogni volta che gli atomi si attraggono.
