1931年のアイデア
1931年、物理学者ハンス・ベーテは、特定の一次元量子系の粒子が集団状態に結合する可能性があると提唱した。これらの状態は後に彼の名を冠した。分子とは異なり、ベーテ弦は化学結合によって結合しているのではない。粒子は相互作用の仕方によって結合したままであり、その状態は一次元でのみ存在できる。
ほぼ一世紀の間、それらは主に理論的なアイデアだった。インスブルック大学のチームは現在、アムステルダム大学とミュンヘン工科大学の理論グループと協力し、極低温原子の気体中でそれらを生成し検出した。この研究はNature Communicationsに掲載された。
細い管の中の冷却原子
ハンス＝クリストフ・ネーゲルルが率いる実験は、絶対零度から数十億分の1度以内に冷却されたセシウム原子の雲から始まった。研究者たちはその後、雲を数千本の非常に細い管に分離した。各管内で原子は一方向にのみ移動でき、これが弦が必要とする一次元環境を作り出す。
チームは原子が相互作用する強さも調整できる。相互作用を反発から引力に変えると、原子は結合した。単一のグループに崩壊するのではなく、いくつかの異なるサイズの束縛状態を形成し、より大きなクラスターのいくつかは6個以上の粒子を保持していた。
弦を無傷に保つ衝突
難しい部分は、粒子が本当に結合していることを証明することだった。一つのテストでは、弦を管に閉じ込めたまま膨張させた。膨張するにつれて弦は出会い衝突したが、束縛構造は生き残った。「これは弦の顕著な特徴です。弦は壊れずに衝突できるのです」と筆頭著者のミレナ・ホルバートは述べた。
二つ目のテストでは、閉じ込めを除去し、原子を三次元空間に広げた。ベーテ弦は一次元にのみ存在するため、束縛状態は崩壊し、それらを保持していたエネルギーは運動に変わった。原子はその後より速く広がり、その余分なエネルギーが研究者に弦の明確なシグナルを与えた。
グループは、このシステムが量子多体物理学を研究するための制御可能な新しいプラットフォームを提供すると述べている。ベーテ弦は以前、固体磁石で見られていたが、冷却原子により研究者は幾何学、密度、相互作用の強さを高精度で調整できる。