Физики из Университета Инсбрука впервые получили и наблюдали так называемые струны Бете в ультрахолодном газе. Это явление было предсказано теоретически почти сто лет назад, в 1931 году, физиком Хансом Бете. Учёные смогли не только создать такие структуры в лаборатории, но и управлять ими, а также изучать их столкновения, сообщает SciTechDaily.
Согласно первоначальной гипотезе Бете, частицы в некоторых квантовых системах способны объединяться в группы, получившие название струн Бете. Такие образования могут существовать исключительно в одномерном пространстве, где движение частиц происходит вдоль одной линии. В отличие от обычных молекул, которые удерживаются химическими связями, струны Бете формируются исключительно за счёт взаимодействия между частицами.
Долгое время струны Бете оставались чисто теоретической концепцией, пока их не удалось зафиксировать в экспериментах с твёрдотельными магнитными системами. Теперь же исследователи создали и пронаблюдали их в ультрахолодном газе — среде, которая позволяет учёным гибко настраивать условия формирования и взаимодействия этих групп. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications, а над проектом совместно работали экспериментаторы из Университета Инсбрука и теоретики из Университета Амстердама и Мюнхенского технического университета.
«Струны Бете были предсказаны почти век назад в рамках красивого математического описания квантовых многочастичных систем, — приводит слова одного из ведущих авторов Судьипты Дхара SciTechDaily. — Теперь мы можем создавать их в лаборатории, манипулировать ими, сталкивать и исследовать их удивительную устойчивость при столкновениях».
Для создания одномерных условий, необходимых для существования струн, команда разделила облако атомов цезия, охлаждённое до нескольких миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, на несколько тысяч узких трубок. В каждой из них движение атомов было ограничено практически одним направлением вдоль длины трубки. Затем исследователи изменили взаимодействие между атомами с отталкивающего на притягивающее. Вместо простого сжатия атомы образовали связанные группы различного размера, включая кластеры из шести и более частиц.
Чтобы подтвердить, что атомы действительно связались, учёные сравнили их движение в трубках с поведением после снятия ограничения. Когда конфайнмент убирали, атомы могли свободно двигаться в трёх измерениях, где струны Бете существовать не могут. Связанные группы распадались, преобразуя энергию связи в движение, из-за чего атомы разлетались быстрее. Для несвязанных атомов с отталкивающим взаимодействием расширение вдоль трубок и в трёх измерениях давало практически одинаковую энергию. Однако при наличии струн Бете трёхмерное расширение несло дополнительную энергию, высвобожденную при распаде кластеров, что стало чётким признаком связывания частиц. Исследование финансировалось Австрийским научным фондом FWF через грант Wittgenstein Prize, Евросоюзом через грант ERC и британским Советом по инженерным и физическим научным исследованиям.