Pomysł z 1931 roku
W 1931 roku fizyk Hans Bethe zaproponował, że cząstki w pewnych jednowymiarowych układach kwantowych mogą łączyć się w stany zbiorowe. Stany te później otrzymały jego imię. W przeciwieństwie do cząsteczek struny Bethego nie są utrzymywane razem przez wiązania chemiczne. Cząstki pozostają związane ze względu na sposób, w jaki oddziałują, a stany te mogą istnieć tylko w jednym wymiarze.
Przez większość stulecia były głównie ideą teoretyczną. Zespół z Uniwersytetu w Innsbrucku stworzył je teraz i wykrył w gazie ultrazimnych atomów, współpracując z grupami teoretycznymi z Uniwersytetu w Amsterdamie i Uniwersytetu Technicznego w Monachium. Praca została opublikowana w Nature Communications.
Zimne atomy w wąskich rurkach
Eksperyment, kierowany przez Hannsa-Christopha Naegerla, rozpoczął się od chmury atomów cezu schłodzonej do kilku miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego. Następnie badacze podzielili chmurę na kilka tysięcy bardzo wąskich rurek. W każdej rurce atomy mogą poruszać się tylko w jednym kierunku, co tworzy jednowymiarowe środowisko potrzebne strunom.
Zespół może również dostrajać siłę oddziaływań między atomami. Gdy zmienili oddziaływania z odpychających na przyciągające, atomy połączyły się. Zamiast zapadać się w jedną grupę, utworzyły stany związane o kilku różnych rozmiarach, a niektóre z większych skupisk zawierały sześć lub więcej cząstek.
Zderzenia, które pozostawiają struny nienaruszone
Najtrudniejsze było udowodnienie, że cząstki są rzeczywiście związane. Jeden test pozwolił strunom rozszerzać się, pozostając wciąż ograniczonymi do swoich rurek. Gdy się rozszerzały, struny spotykały się i zderzały, a mimo to związane struktury przetrwały. „To niezwykła cecha strun: mogą się zderzać, nie rozpadając się" — powiedziała główna autorka Milena Horvath.
Drugi test usunął ograniczenie i pozwolił atomom rozprzestrzenić się w przestrzeni trójwymiarowej. Ponieważ struny Bethego istnieją tylko w jednym wymiarze, stany związane się rozpadły, a energia, która je utrzymywała, zamieniła się w ruch. Atomy rozprzestrzeniły się wtedy szybciej, a ta dodatkowa energia dała badaczom wyraźny sygnaturę strun.
Grupa twierdzi, że układ oferuje kontrolowalną nową platformę do badania kwantowej fizyki wielociałowej. Struny Bethego widziano wcześniej w magnesach w ciele stałym, ale zimne atomy pozwalają badaczom dostrajać geometrię, gęstość i siłę oddziaływań z dużą precyzją.