Een idee uit 1931
In 1931 stelde de natuurkundige Hans Bethe voor dat deeltjes in bepaalde eendimensionale kwantumsystemen zich konden verenigen in collectieve toestanden. Die toestanden kregen later zijn naam. Anders dan moleculen worden Bethe-strings niet bijeengehouden door chemische bindingen. De deeltjes blijven gebonden door de manier waarop ze op elkaar inwerken, en de toestanden kunnen alleen in één dimensie bestaan.
Bijna een eeuw lang waren ze vooral een theoretisch idee. Een team aan de Universiteit van Innsbruck heeft ze nu gecreëerd en gedetecteerd in een gas van ultrakoude atomen, in samenwerking met theoretische groepen aan de Universiteit van Amsterdam en de Technische Universiteit van München. Het werk werd gepubliceerd in Nature Communications.
Koude atomen in smalle buisjes
Het experiment, geleid door Hanns-Christoph Naegerl, begon met een wolk cesiumatomen afgekoeld tot binnen een paar miljardsten van een graad van het absolute nulpunt. De onderzoekers verdeelden de wolk vervolgens in enkele duizenden zeer smalle buisjes. Binnen elk buisje kunnen de atomen zich slechts in één richting bewegen, wat de eendimensionale setting creëert die de strings nodig hebben.
Het team kan ook instellen hoe sterk de atomen op elkaar inwerken. Toen ze de interacties van afstotend naar aantrekkend veranderden, bonden de atomen samen. In plaats van in één groep ineen te storten, vormden ze gebonden toestanden van verschillende groottes, en sommige van de grotere clusters bevatten zes of meer deeltjes.
Botsingen die de strings intact laten
Het moeilijke deel was bewijzen dat de deeltjes echt gebonden waren. Eén test liet de strings uitzetten terwijl ze nog in hun buisjes opgesloten zaten. Terwijl ze uitzetten, ontmoetten de strings elkaar en botsten ze, toch overleefden de gebonden structuren. "Dit is een opmerkelijke eigenschap van de strings: ze kunnen botsen zonder uit elkaar te vallen," zei hoofdauteur Milena Horvath.
Een tweede test verwijderde de opsluiting en liet de atomen zich door de driedimensionale ruimte verspreiden. Omdat Bethe-strings alleen in één dimensie bestaan, braken de gebonden toestanden uiteen, en de energie die hen bijeenhield werd omgezet in beweging. De atomen verspreidden zich toen sneller, en die extra energie gaf onderzoekers een duidelijk signaal van de strings.
De groep zegt dat het systeem een controleerbaar nieuw platform biedt voor het bestuderen van kwantum-veeldeeltjesfysica. Bethe-strings waren eerder gezien in vastestofmagneten, maar koude atomen laten onderzoekers geometrie, dichtheid en interactiesterkte met hoge precisie aanpassen.