Une idée de 1931
En 1931, le physicien Hans Bethe a proposé que les particules de certains systèmes quantiques unidimensionnels pouvaient s'unir en états collectifs. Ces états ont ensuite pris son nom. Contrairement aux molécules, les chaînes de Bethe ne sont pas maintenues ensemble par des liaisons chimiques. Les particules restent liées en raison de leur mode d'interaction, et ces états ne peuvent exister qu'en une dimension.
Pendant près d'un siècle, ils sont restés principalement une idée théorique. Une équipe de l'université d'Innsbruck les a désormais créés et détectés dans un gaz d'atomes ultrafroids, en collaboration avec des groupes théoriciens de l'université d'Amsterdam et de l'université technique de Munich. Les travaux ont été publiés dans Nature Communications.
Des atomes froids dans des tubes étroits
L'expérience, dirigée par Hanns-Christoph Naegerl, a commencé avec un nuage d'atomes de césium refroidis à quelques milliardièmes de degré du zéro absolu. Les chercheurs ont ensuite séparé le nuage en plusieurs milliers de tubes très étroits. À l'intérieur de chaque tube, les atomes ne peuvent se déplacer que dans une seule direction, ce qui crée le cadre unidimensionnel dont les chaînes ont besoin.
L'équipe peut également ajuster l'intensité des interactions entre les atomes. Lorsqu'ils ont fait passer les interactions de répulsives à attractives, les atomes se sont liés. Au lieu de s'effondrer en un seul groupe, ils ont formé des états liés de plusieurs tailles différentes, et certains des amas les plus grands contenaient six particules ou plus.
Des collisions qui laissent les chaînes intactes
La partie difficile était de prouver que les particules étaient véritablement liées. Un premier test a laissé les chaînes s'étendre tout en restant confinées dans leurs tubes. En s'étendant, les chaînes se sont rencontrées et ont entré en collision, mais les structures liées ont survécu. « C'est une caractéristique remarquable des chaînes : elles peuvent entrer en collision sans se désintégrer », a déclaré l'auteure principale Milena Horvath.
Un second test a supprimé le confinement et laissé les atomes se disperser dans l'espace tridimensionnel. Comme les chaînes de Bethe n'existent qu'en une dimension, les états liés se sont désagrégés, et l'énergie qui les maintenait s'est transformée en mouvement. Les atomes se sont alors dispersés plus rapidement, et cette énergie supplémentaire a fourni aux chercheurs une signature claire des chaînes.
Le groupe affirme que ce système offre une nouvelle plateforme contrôlable pour étudier la physique quantique à plusieurs corps. Les chaînes de Bethe avaient déjà été observées dans des aimants à l'état solide, mais les atomes froids permettent aux chercheurs d'ajuster la géométrie, la densité et la force des interactions avec une grande précision.