Fizikçiler atomlardan oluşan bir “kolye”yi dondurdu ve 100 yıl önce tahmin edilen kuantum olayına tanıklık etti

“Kolye” biçimindeki ultrasoguk atomlar, neredeyse 100 yıllık bir kuantum teorisini destekleyen yeni kanıtlar sundu.

1931’de fizikçiler bazı malzemelerin manyetik olmasının nedenini açıklamaya çalışıyordu. Ardından, Bethe adlı genç bir fizikçi elektronların tek bir sırasına baktı. Her bir elektronun spin’i ya yukarıya ya da aşağıya işaret edebilir. Bethe, böyle bir sıranın nasıl davrandığına dair matematiği çözdü ve sıradaki birkaç spin’in yönünü tersine çevirdiklerinde birbirlerine yapışıp tek bir birlik olarak sıraya doğru ilerleyebildiklerini buldu.

Sırların ardından, fizikçiler Bethe’nin öngörülerinin , atomlar gibi parzacıklar için de geçerli olduğunu keşfetti. Bu parcacıklar birbirini çekerse, matematiğin öngördüğü şeyin “Bethe dizisi” adı verilen kümeler halinde bağlanmalarıdır.

Şimdi fizikçiler bu kümelerin kanıtlarını ultrasoguk atomlardan oluşan bir satırda buldu. Bulgular 29 Ağustos’ta dergisinde yayımlandı.

Bu keşif yeni aletler icat etmeyebilir, ancak fiziğin temel gizemlerinden birine yanıt veriyor. Etrafımızdaki her şey — manyetiklerden telefon çiplerine kadar — sayısız etkileşen parcacıklardan oluşuyor. Bu da onların davranışını öngörmeyi zorlaştırıyor. Ultrasoguk atomlar, bu karmaşık sistemleri çalışmanın açık ve ayarlanabilir bir yolunu sunuyor.

Bir atom “kolyesi”

Araştırmacılar daha önce küçük Bethe dizilerini manyetik kristallerde ve sürtken kuantum devrelerinde görmüştü — ancak bu deneyler dizileri tek tek yakalamıştı.

Teorinin öngördüğü şey, farklı boyutlardaki dizi kalabalıklarının tüm bir sistemin davranışını değiştirebilmesidir ve bu fikir üzerinde çalışmak birden fazla diziyi aynı anda üretmeyi gerektiriyor. Bu ise atomlarla yapılması zor bir işti. Birbirini çeken atomlar genellikle bir yumru halinde çöküp gider. Ancak bu kez ekip, altısından fazlası atom içerenler de dahil olmak üzere farklı boyutlarda birden fazla diziyi aynı anda üretmiş görünüyor.

“Kolyeyi” üretmek için araştırmacıların bir Bose-Einstein yoğuşması — maddenin özel bir fazı — oluşturmaları gerekiyordu.

Atomları birbirini çekmeye zorlamak zordur. Üç boyutta, atomlar yumru halinde birleşip moleküller oluşturdukça çöken bir gaz oluşur. Bu süreç, atomları deneyden dışarı atan enerji salar; böylece gaz hızla çöküp kaybolur. Ancak tek bir satırda olduklarında atomlar farklı davranırlar.

“Gerçekten de ipe dizili inciler gibi değiller mi? Kolyedeki gibi, birbirlerinin önünden geçemiyor,” deney fizikçisi ve çalışmanın ortak yazarı , Innsbruck Üniversitesi’nde Live Science’a şunları söyledi. “Üç boyutta her şey çökerdi. Ancak bir boyutta çökmiyor.”

“Kolyelerini” inşa etmek için ekip, önce birkaç on binlince csyum atomuyla başladı — burada atomlar mutlak sıfıra yakın soğutulduğunda tek bir kuantum durumunu paylaştıkları madde durumu . Lazer ışınları ardından yoğuşmayı binlerce ince tübe böldü; her bir tüpte ise en fazla birkaç düzine atom bir satırda tutuldu.

Başta atomlar birbirini itti. Araştırmacılar, manyetik alan kullanarak bu itmeyi kademeli olarak sıfıra indirdi ve ardından onu çekim gücüne dönüştürdü.

Ekip dizileri doğrudan göremezdi. Bunun yerine atomları serbest bıraktılar ve bulutun ne kadar hızlı yayıldığını ölçtüler. Atomlar ancak tüplerinin boyunca genişleyebildiğinde, herhangi bir dizi sağlam kaldı. Atomlar üç boyutta da serbest bırakıldığında ise diziler parçalandı ve bağlanma enerjilerini hareket olarak saldı. Araştırmacılar, 3B bulutların tek boyutlulara göre yaklaşık üç kat daha fazla enerjiyle yayıldığını buldu.

Bu farktan ekip, atomların ne kadar sıkı bağlandığını tahmin etti. Cevap, en az altı atomdan oluşan dizilere işaret ediyordu. Ölçümler ayrıca , farklı boyutlarda diziler de dahil olmak üzere böyle bir gazı çeşitli parcacıklardan oluşan bir sıvı olarak betimleyen adlı bir teorisinin öngörülerine yakından uyuyordu. Bu teori aynı zamanda her türün zaman içinde nasıl aktığını, her bir atomu takip etmek yerine izler.

Nägerl bunun bir kanıt olduğunu söyleyerek tedbirli davrandı. “Bir teorinin verilerinize uyması, bir şeyin var olduğunun kanıtı değildir,” dedi; bu sadece onu destekleyen daha fazla kanıttır.

Kısa ömürlü bir durum

Diziler muhtemelen uzun süre hayatta kalmaz. Yakından bakıldığında atomlar hâlâ üç boyutlu dünyayı hisseder ve diziler sonunda sıradan csyum moleküllerine dönüşür. En soğuk çalışmalarda ekip, atomların yaklaşık %40’ını kaybetti.

“Geçici olarak bu Bethe dizi durumlarını oluşturuyorsun,” dedi Nägerl. “Ancak uzun ömürlü olduklarını düşünüyorum.”

Gelecek deneyler için bir fikri var. Fizikçiler yakın zamanda ultrasoguk molekülleri mikrodalgalarla korumayı başardı; bu da moleküllerin kısa menzilde çarpışmalarını engeller. Korunan moleküllerden yapılan diziler, doğrudan çalışılabilecek kadar uzun süre hayatta kalabilir. Ancak Nägerl, fikrin denenmediğini vurguladı. “Şu an iddialarım üzerinde bir teori kontrolü yapan kimse olmadı, ancak içgüdülerimce bunun işe yaraması gerektiğini düşünüyorum,” dedi.

Başka bir seçenek ise atomları tek tek görüntüleyebilecek ve bireysel dizilerin daha doğrudan kanıtlarını sunabilecek kuantum gaz mikroskobudur.

Nägerl için Bethe dizileri, çok sayıda parcacığı olan kuantum sistemlerinin nasıl davrandığını ve zamanla dindiklerini anlamaya giden adımlardan biri. Uzun vadeli amacı, fizikçilerin hem her bir parcacığın nasıl hareket ettiğini hem de spin’inin nasıl tersine döndüğünü kontrol ettiği bir deneydi; böylece onlara model malzemeleri parça parça “LEGO türünden” inşa etme imkanı tanıyordu. Ekibi bir sonraki adımı attı: lazerler kullanarak tek boyutlu gazındaki atomların spin’lerini kontrol etmek. Bethe dizilerini “küçük bir sapma” olarak nitelendirdi. Ancak diziler atomlar birbirini çeker whenever oluştuğu için yok sayılamaz.

Horvath, M., Bastianello, A., Dhar, S., Koch, R., Guo, Y., Caux, J.-S., Landini, M., & Nägerl, H.-C. (2026). Probing Bethe strings in an attractive one-dimensional Bose gas. Nature Communications, 17, 10330.