1931년의 한 아이디어
1931년 물리학자 한스 베테는 특정 1차원 양자계의 입자들이 집단 상태로 결합할 수 있다고 제안했다. 그 상태들은 나중에 그의 이름을 따랐다. 분자와 달리 베테 끈은 화학 결합으로 묶여 있지 않다. 입자들은 상호작용 방식 때문에 속박 상태로 남으며, 그 상태는 1차원에서만 존재할 수 있다.
거의 한 세기 동안 그것들은 주로 이론적 개념이었다. 인스브루크 대학의 한 팀이 이제 암스테르담 대학과 뮌헨 공과대학의 이론 그룹들과 협력해 초저온 원자 기체에서 그것들을 생성하고 검출했다. 이 연구는 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.
좁은 관 속의 차가운 원자
한스-크리스토프 네거를이 이끈 이 실험은 절대영도 위로 수십억분의 1도 이내까지 냉각된 세슘 원자 구름에서 시작됐다. 연구자들은 그 구름을 수천 개의 매우 좁은 관으로 나눴다. 각 관 안에서 원자들은 한 방향으로만 움직일 수 있으며, 이는 끈이 필요로 하는 1차원 환경을 만든다.
연구팀은 원자들이 얼마나 강하게 상호작용하는지도 조정할 수 있다. 그들이 상호작용을 반발성에서 인력성으로 바꾸자 원자들이 결합했다. 하나의 덩어리로 붕괴하는 대신 여러 가지 크기의 속박 상태를 형성했고, 더 큰 일부 집합체는 여섯 개 이상의 입자를 담았다.
끈을 온전하게 남기는 충돌
어려운 부분은 입자들이 진정으로 속박되어 있음을 증명하는 것이었다. 한 실험은 끈이 관에 갇힌 채로 팽창하도록 했다. 팽창하면서 끈들이 만나 충돌했지만 속박 구조는 살아남았다. "이것은 끈의 놀라운 특징입니다. 그것들은 부서지지 않고 충돌할 수 있습니다"라고 제1저자 밀레나 호르바트가 말했다.
두 번째 실험은 구속을 제거하고 원자들이 3차원 공간으로 퍼지도록 했다. 베테 끈은 1차원에서만 존재하기 때문에 속박 상태가 분해됐고, 그것들을 붙잡고 있던 에너지가 운동으로 바뀌었다. 그러자 원자들이 더 빠르게 퍼졌고, 그 추가 에너지가 연구자들에게 끈의 명확한 신호를 제공했다.
연구팀은 이 시스템이 양자 다체 물리학을 연구할 수 있는 통제 가능한 새 플랫폼을 제공한다고 말한다. 베테 끈은 이전에 고체 자석에서 관측된 적이 있지만, 차가운 원자는 연구자들이 기하 구조와 밀도, 상호작용 강도를 높은 정밀도로 조정할 수 있게 한다.