Спустя почти сто лет после того, как нобелевский лауреат Ханс Бете предсказал существование необычных квантовых структур, учёные смогли создать и наблюдать так называемые «струны Бете» с помощью ультрахолодных атомов. Эксперимент под руководством физика Ханнса-Кристофа Негерля дал исследователям хорошо управляемый инструмент для изучения этих необычных квантовых многочастичных состояний. Соответствующая работа опубликована в журнале Nature Communications.
В 1931 году Ханс Бете предположил, что частицы в некоторых квантовых системах, ограниченных одним измерением, могут объединяться в коллективные состояния, которые сегодня называют струнами Бете. Эти структуры принципиально отличаются от привычных молекул. Частицы удерживаются вместе не химическими связями, а своим взаимодействием друг с другом, и такие состояния могут существовать только в одном измерении. На протяжении большей части прошлого века струны Бете оставались преимущественно теоретической идеей. Теперь исследователи из Университета Инсбрука совместно с теоретическими группами из Университета Амстердама и Мюнхенского технического университета создали и зафиксировали эти многочастичные связанные состояния в ультрахолодном газе.
Для получения необычных квантовых состояний учёные взяли облако атомов цезия, охлаждённое до температуры всего в несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Затем это облако разделили на несколько тысяч чрезвычайно узких трубок. В каждой трубке атомы фактически могут двигаться только в одном направлении, что и создаёт одномерную среду, необходимую для существования струн Бете. Кроме того, исследователи могут точно регулировать силу взаимодействия между атомами. Меняя характер этого взаимодействия с отталкивающего на притягивающее, команда заставляла атомы связываться. Вместо простого схлопывания в одну группу атомы образовывали связанные состояния различных размеров. Некоторые из более крупных кластеров содержали шесть и более частиц.
Следующей задачей было доказать, что эти частицы действительно связаны друг с другом. «Один из самых простых экспериментов состоял в том, чтобы дать струнам расшириться», — говорит Милена Хорват, одна из ведущих авторов работы. Сначала исследователи позволили атомам распространяться, удерживая их внутри одномерных трубок. Во время этого расширения струны сталкивались друг с другом, однако связанные структуры выживали. «Это замечательная особенность струн: они могут сталкиваться, не распадаясь», — отмечает Милена Хорват. Затем учёные провели второй вариант эксперимента, в котором сняли ограничение и позволили атомам свободно расширяться в трёхмерном пространстве. Поскольку струны Бете могут существовать только в одном измерении, выпускание атомов в трёхмерное пространство приводило к распаду связанных состояний.
Энергия, которая удерживала частицы вместе, превращалась в движение, заставляя атомы разлетаться быстрее. Сравнение двух типов расширения дало исследователям чёткий способ определить наличие струн Бете. Когда частицы были несвязанными, как при отталкивающем взаимодействии, оба измерения расширения давали практически одинаковую энергию. Когда же присутствовали струны Бете, трёхмерное расширение содержало дополнительную энергию, высвобождаемую при распаде связанных состояний. «Струны Бете были предсказаны почти век назад в рамках красивой математической картины квантовых многочастичных систем, — говорит Судіпта Дхар, ещё один ведущий автор. — Теперь мы можем создавать их в лаборатории, управлять ими, сталкивать их и исследовать их замечательную устойчивость при столкновениях».
Ранее струны Бете уже наблюдали экспериментально в твёрдотельных магнитных системах. Новая работа помещает эти необычные квантовые связанные состояния в совершенно иную среду — ультрахолодный атомный газ, где исследователи могут с исключительной точностью контролировать геометрию системы, плотность частиц и взаимодействия. «Это открывает новые возможности для изучения того, как формируются и взаимодействуют такие коллективные квантовые объекты», — говорит ведущий теоретик Альвизе Бастианелло. Исследование финансировалось Австрийским научным фондом FWF через грант Wittgenstein Prize, Евросоюзом через грант ERC и британским Советом по инженерным и физическим научным исследованиям. Милена Хорват является участницей докторской программы FWF «Атомы, свет и молекулы» (DK-ALM).