Eine Idee aus dem Jahr 1931
Im Jahr 1931 schlug der Physiker Hans Bethe vor, dass Teilchen in bestimmten eindimensionalen Quantensystemen kollektive Zustände bilden könnten. Diese Zustände tragen später seinen Namen. Anders als Moleküle werden Bethe-Strings nicht durch chemische Bindungen zusammengehalten. Die Teilchen bleiben gebunden aufgrund der Art ihrer Wechselwirkung, und die Zustände können nur in einer Dimension existieren.
Fast ein Jahrhundert lang waren sie vor allem eine theoretische Idee. Ein Team der Universität Innsbruck hat sie nun in einem Gas ultrakalter Atome erzeugt und nachgewiesen, in Zusammenarbeit mit Theoriegruppen der Universität Amsterdam und der Technischen Universität München. Die Arbeit wurde in Nature Communications veröffentlicht.
Kalte Atome in engen Röhren
Das Experiment unter der Leitung von Hanns-Christoph Naegerl begann mit einer Wolke aus Cäsiumatomen, die auf wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurde. Die Forscher teilten die Wolke dann in mehrere tausend sehr enge Röhren auf. In jeder Röhre können sich die Atome nur in eine Richtung bewegen, was die eindimensionale Umgebung schafft, die die Strings benötigen.
Das Team kann auch einstellen, wie stark die Atome wechselwirken. Als sie die Wechselwirkungen von abstoßend auf anziehend änderten, banden sich die Atome aneinander. Statt in einer einzigen Gruppe zu kollabieren, bildeten sie gebundene Zustände verschiedener Größen, und einige der größeren Cluster hielten sechs oder mehr Teilchen.
Kollisionen, die die Strings intakt lassen
Der schwierige Teil war der Nachweis, dass die Teilchen wirklich gebunden waren. Ein Test ließ die Strings expandieren, während sie in ihren Röhren eingeschlossen blieben. Während sie expandierten, trafen die Strings aufeinander und kollidierten, doch die gebundenen Strukturen überlebten. „Das ist ein bemerkenswertes Merkmal der Strings: Sie können kollidieren, ohne auseinanderzubrechen", sagte Hauptautorin Milena Horvath.
Ein zweiter Test hob die Einschränkung auf und ließ die Atome sich durch den dreidimensionalen Raum ausbreiten. Da Bethe-Strings nur in einer Dimension existieren, brachen die gebundenen Zustände auseinander, und die Energie, die sie zusammengehalten hatte, verwandelte sich in Bewegung. Die Atome breiteten sich dann schneller aus, und diese zusätzliche Energie lieferte den Forschern eine klare Signatur der Strings.
Die Gruppe sagt, das System biete eine kontrollierbare neue Plattform zur Untersuchung der Quantenvielteilchenphysik. Bethe-Strings waren zuvor in Festkörpermagneten beobachtet worden, aber kalte Atome ermöglichen es Forschern, Geometrie, Dichte und Wechselwirkungsstärke mit hoher Präzision anzupassen.