Ajatus vuodelta 1931
Vuonna 1931 fyysikko Hans Bethe ehdotti, että hiukkaset tietyissä yksiulotteisissa kvanttijärjestelmissä voisivat liittyä kollektiivisiksi tiloiksi. Nämä tilat saivat myöhemmin hänen nimensä. Toisin kuin molekyylit, Bethe-stringit eivät pysy koossa kemiallisten sidosten avulla. Hiukkaset pysyvät sidottuina vuorovaikutustapansa vuoksi, ja tilat voivat olla olemassa vain yhdessä ulottuvuudessa.
Suurimman osan vuosisadasta ne olivat pääasiassa teoreettinen idea. Innsbruckin yliopiston ryhmä on nyt luonut ja havainnut ne ultrakylmien atomien kaasussa työskennellen Amsterdamin yliopiston ja Münchenin teknillisen yliopiston teoreettisten ryhmien kanssa. Työ julkaistiin Nature Communications -lehdessä.
Kylmät atomit kapeissa putkissa
Hanns-Christoph Naegerlin johtama koe alkoi cesiumatomien pilvestä, joka jäähdytettiin muutaman miljardisosan asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä. Tutkijat erottivat pilven sitten useiksi tuhansiksi hyvin kapeiksi putkiksi. Jokaisen putken sisällä atomit voivat liikkua vain yhteen suuntaan, mikä luo yksiulotteisen ympäristön, jota stringit tarvitsevat.
Ryhmä voi myös säätää sitä, kuinka voimakkaasti atomit ovat vuorovaikutuksessa. Kun he muuttivat vuorovaikutukset hylkivistä vetovoimaisiksi, atomit sitoutuivat yhteen. Sen sijaan, että ne olisivat romahtaneet yhdeksi ryhmäksi, ne muodostivat usean eri kokoisia sidottuja tiloja, ja jotkut suuremmat ryhmät sisälsivät kuusi tai useampia hiukkasia.
Törmäykset, jotka jättävät stringit ehjiksi
Vaikea osa oli todistaa, että hiukkaset olivat todella sidottuja. Yksi testi antoi stringien laajentua pysyen samalla putkissaan. Laajentuessaan stringit kohtasivat ja törmäsivät, mutta sidotut rakenteet säilyivät. "Tämä on stringien merkittävä ominaisuus: ne voivat törmätä hajoamatta", sanoi pääkirjoittaja Milena Horvath.
Toinen testi poisti rajoituksen ja antoi atomien levitä kolmiulotteiseen avaruuteen. Koska Bethe-stringit ovat olemassa vain yhdessä ulottuvuudessa, sidotut tilat hajosivat, ja niitä koossa pitänyt energia muuttui liikkeeksi. Atomit levittyivät sitten nopeammin, ja tämä ylimääräinen energia antoi tutkijoille selvän merkin stringeistä.
Ryhmä sanoo, että järjestelmä tarjoaa hallittavan uuden alustan kvanttien monihiukkasfysiikan tutkimiseen. Bethe-stringejä oli nähty aiemmin kiinteän olomuodon magneeteissa, mutta kylmät atomit antavat tutkijoiden säätää geometriaa, tiheyttä ja vuorovaikutuksen voimakkuutta suurella tarkkuudella.