En idé från 1931
År 1931 föreslog fysikern Hans Bethe att partiklar i vissa endimensionella kvantsystem kunde förenas i kollektiva tillstånd. Dessa tillstånd fick senare hans namn. Till skillnad från molekyler hålls Bethe-strängar inte samman av kemiska bindningar. Partiklarna förblir bundna på grund av hur de interagerar, och tillstånden kan bara existera i en dimension.
Under större delen av ett sekel var de främst en teoretisk idé. Ett team vid universitetet i Innsbruck har nu skapat och detekterat dem i en gas av ultrakalla atomer, i samarbete med teorigrupper vid universitetet i Amsterdam och Tekniska universitetet i München. Arbetet publicerades i Nature Communications.
Kalla atomer i smala rör
Experimentet, lett av Hanns-Christoph Naegerl, började med ett moln av cesiumatomer nedkylda till inom några miljarddels grader från absoluta nollpunkten. Forskarna separerade sedan molnet i flera tusen mycket smala rör. Inuti varje rör kan atomerna röra sig i bara en riktning, vilket skapar den endimensionella miljö som strängarna behöver.
Teamet kan också ställa in hur starkt atomerna interagerar. När de ändrade interaktionerna från repulsiva till attraktiva bands atomerna samman. I stället för att kollapsa till en enda grupp bildade de bundna tillstånd av flera olika storlekar, och några av de större klustren höll sex eller fler partiklar.
Kollisioner som lämnar strängarna intakta
Det svåra var att bevisa att partiklarna verkligen var bundna. Ett test lät strängarna expandera medan de fortfarande var instängda i sina rör. När de expanderade möttes strängarna och kolliderade, men de bundna strukturerna överlevde. "Detta är en anmärkningsvärd egenskap hos strängarna: de kan kollidera utan att gå sönder", sade huvudförfattaren Milena Horvath.
Ett andra test tog bort instängningen och lät atomerna sprida sig genom tredimensionellt rum. Eftersom Bethe-strängar bara existerar i en dimension bröts de bundna tillstånden upp, och energin som hade hållit dem samman omvandlades till rörelse. Atomerna spreds då snabbare, och den extra energin gav forskarna en tydlig signatur för strängarna.
Gruppen säger att systemet erbjuder en kontrollerbar ny plattform för att studera kvantmångkroppsfysik. Bethe-strängar hade setts tidigare i fasta magneter, men kalla atomer låter forskare justera geometri, densitet och interaktionsstyrka med hög precision.