Идея 1931 года
В 1931 году физик Ханс Бете предположил, что частицы в некоторых одномерных квантовых системах могут объединяться в коллективные состояния. Позже эти состояния получили его имя. В отличие от молекул, струны Бете не удерживаются вместе химическими связями. Частицы остаются связанными благодаря характеру их взаимодействия, и такие состояния могут существовать только в одном измерении.
На протяжении почти столетия они оставались в основном теоретической идеей. Теперь команда Университета Инсбрука создала и обнаружила их в газе ультрахолодных атомов, работая с теоретическими группами Амстердамского университета и Мюнхенского технического университета. Работа опубликована в Nature Communications.
Холодные атомы в узких трубках
Эксперимент под руководством Ханса-Кристофа Негерля начался с облака атомов цезия, охлаждённых до нескольких миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Затем исследователи разделили облако на несколько тысяч очень узких трубок. Внутри каждой трубки атомы могут двигаться только в одном направлении, что создаёт одномерные условия, необходимые для струн.
Команда также может настраивать силу взаимодействия атомов. Когда они изменили взаимодействия с отталкивающих на притягивающие, атомы связались вместе. Вместо того чтобы схлопнуться в единую группу, они образовали связанные состояния нескольких разных размеров, причём некоторые из более крупных кластеров содержали шесть и более частиц.
Столкновения, оставляющие струны целыми
Самым сложным было доказать, что частицы действительно связаны. Один тест позволил струнам расширяться, оставаясь в своих трубках. При расширении струны встречались и сталкивались, но связанные структуры выживали. «Это замечательная особенность струн: они могут сталкиваться, не распадаясь», — сказала ведущий автор Милена Хорват.
Второй тест убрал ограничение и позволил атомам распространиться в трёхмерном пространстве. Поскольку струны Бете существуют только в одном измерении, связанные состояния распались, а энергия, которая их удерживала, превратилась в движение. Атомы затем распространялись быстрее, и эта дополнительная энергия дала исследователям чёткий сигнал струн.
Группа говорит, что система предлагает управляемую новую платформу для изучения квантовой физики многих тел. Струны Бете наблюдались ранее в твёрдотельных магнитах, но холодные атомы позволяют исследователям с высокой точностью регулировать геометрию, плотность и силу взаимодействия.