Stringhe quantistiche: atomi ultrafreddi sostengono la teoria di Bethe

Gruppi di atomi legati tra loro, capaci di muoversi come un’unica entità, offrono nuove prove a sostegno di una teoria quantistica formulata quasi un secolo fa. I fisici li hanno individuati in una fila di atomi ultrafreddi: un risultato che non promette nuovi dispositivi, ma aiuta a chiarire come si comportano i sistemi composti da molte particelle che interagiscono.

La teoria di Bethe e le stringhe quantistiche

La teoria risale al 1931, quando i fisici cercavano di spiegare con la meccanica quantistica perché alcuni materiali sono magnetici. Il giovane fisico Hans Bethe studiò una fila di elettroni, ciascuno con uno spin orientato verso l’alto o verso il basso. Elaborò equazioni per descriverne il comportamento e scoprì che alcuni spin invertiti possono legarsi e propagarsi lungo la fila come un’unica entità.

Decenni dopo si è capito che il metodo di Bethe può 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».

Gli atomi ultrafreddi come sistema di studio

La nuova ricerca, pubblicata il 29 agosto su Nature Communications, ha trovato indizi di queste strutture in una fila di atomi ultrafreddi. Tutto ciò che ci circonda, dai magneti ai chip dei telefoni, è composto da particelle che interagiscono tra loro: prevedere il comportamento collettivo di sistemi simili è difficile. Gli atomi ultrafreddi, invece, permettono di studiarli in condizioni controllabili.

In precedenza erano state osservate piccole stringhe di Bethe in cristalli magnetici e circuiti quantistici superconduttori, ma gli esperimenti ne rilevavano una alla volta. La teoria prevede che gruppi di stringhe di dimensioni diverse possano influenzare il comportamento dell’intero sistema: per verificare questa ipotesi occorre quindi crearne molte contemporaneamente. Con gli atomi, però, l’impresa è complicata: quando si attraggono, tendono a collassare in un ammasso. In questo esperimento, invece, i ricercatori sembrano aver prodotto nello stesso momento stringhe di varie dimensioni, alcune composte da più di sei atomi.

Come sono state create le stringhe

Per ottenere queste «collane», il gruppo ha raffreddato decine di migliaia di atomi di cesio fino a formare un condensato di Bose-Einstein, uno stato della materia in cui atomi portati a temperature prossime allo zero assoluto condividono un unico stato quantistico. Fasci laser hanno poi diviso 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 fino ad annullarla e poi trasformarla in attrazione.

In tre dimensioni, un gas di atomi attrattivi tende a collassare: gli atomi si raggruppano e formano molecole, liberando energia che li espelle dall’esperimento. In una sola dimensione, invece, la disposizione in fila impedisce loro di superarsi.

«In fondo sono un po’ come perle infilate su un filo, no? Come in una collana, non possono superarsi», ha spiegato a Live Science Hanns-Christoph Nägerl, coautore dello studio e fisico sperimentale all’Università di Innsbruck. «In tre dimensioni collasserebbe tutto. Ma in una dimensione non succede».

Le prove indirette e il confronto con la teoria

I ricercatori non hanno osservato direttamente le stringhe. Hanno lasciato liberi gli atomi e misurato la velocità di espansione della nube. Quando gli atomi potevano muoversi soltanto lungo i tubi, le stringhe restavano intatte. Liberati invece in tutte e tre le dimensioni, si disgregavano e trasformavano la loro energia di legame in movimento. Le nubi tridimensionali si espandevano 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 composte da almeno sei atomi.

Le misurazioni erano inoltre molto vicine alle previsioni dell’idrodinamica generalizzata, una teoria che descrive un gas di questo tipo come un fluido formato da diverse specie di particelle, comprese stringhe di varie dimensioni. Il modello segue nel tempo il flusso di ciascuna specie, senza dover tracciare ogni singolo atomo.

Nägerl ha tuttavia precisato che i risultati non costituiscono una prova definitiva. «Il fatto che una teoria corrisponda ai dati non dimostra che qualcosa esista», ha detto. «È soltanto un’ulteriore prova a suo sostegno».

La durata delle stringhe e gli esperimenti futuri

Le stringhe potrebbero avere vita breve. Da vicino, gli atomi risentono comunque delle tre dimensioni e, col tempo, le strutture decadono in normali molecole di cesio. Negli esperimenti alle temperature più basse, il gruppo ha perso circa il 40% degli atomi.

«Si creano temporaneamente questi stati di stringa di Bethe», ha detto Nägerl. «Ma non credo che siano longevi».

Per gli esperimenti futuri, il fisico immagina di usare molecole ultrafredde schermate con le microonde, una tecnica sviluppata di recente per impedire che entrino in collisione a distanza ravvicinata. Le stringhe di molecole schermate potrebbero durare abbastanza da essere studiate direttamente. L’idea, però, non è stata verificata. «Non ho ancora chiesto a nessuno di controllare teoricamente le mie ipotesi, ma intuitivamente penso che dovrebbe funzionare», ha detto.

Un’altra strada è la microscopia a gas quantistico, che consente di fotografare gli atomi uno alla volta e potrebbe offrire prove più dirette dell’esistenza di singole stringhe. Per Nägerl, queste strutture rappresentano un passo avanti nella comprensione del comportamento e dell’evoluzione nel tempo dei sistemi quantistici composti da molte particelle.

Il controllo dei sistemi quantistici

Il suo obiettivo a lungo termine è realizzare un esperimento in cui i fisici possano controllare sia il movimento di ogni particella sia l’inversione del suo spin, assemblando 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, poiché si formano ogni volta che gli atomi si attraggono, ha aggiunto, non possono essere ignorate.