Квантовое предсказание 1931 года ожило
Почти через столетие после того, как лауреат Нобелевской премии Ханс Бете предсказал их существование, учёные создали и наблюдали необычные квантовые структуры, известные как «струны Бете», используя ультрахолодные атомы. Эксперимент, возглавляемый квантовым физиком Ханс-Кристофом Нэгерлемом, даёт исследователям высоко управляемый способ изучения этих необычных многочастичных квантовых состояний.
В 1931 году физик Ханс Бете предложил, что частицы в некоторых квантовых системах, ограниченных одномерностью, могут объединяться в коллективные состояния, ныне называемые струнами Бете. Эти структуры принципиально отличаются от привычных молекул. Вместо химических связей частицы остаются связанными благодаря взаимодействиям друг с другом, и получающиеся состояния могут существовать только в одном измерении.
В течение большей части прошлого века струны Бете оставались в основном теоретической идеей. Исследователи из Инсбрукского университета теперь создали и обнаружили эти многочастичные связанные состояния в ультрахолодном газе, работая совместно с теоретическими группами из кафедры экспериментальной физики Амстердамского университета и Технического университета Мюнхена. Результаты опубликованы в Nature Communications.
Создание струн Бете близко к абсолютному нулю
Чтобы получить эти необычные квантовые состояния, учёные начали с облака атомов цезия, охлаждённых до нескольких миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Затем они разделили облако на несколько тысяч чрезвычайно узких трубок.
Внутри каждой трубки атомы фактически ограничены движением вдоль одной оси, создавая одномерную среду, необходимую для существования струн Бете. Исследователи также могут точно регулировать силу взаимодействий между атомами.
Изменяя эти взаимодействия от отталкивающих к притягивающим, команда заставила атомы связаться друг с другом. Вместо простого схлопывания в одну группу атомы образовали связанные состояния разных размеров. Некоторые из более крупных кластеров содержали шесть и более частиц.
Следующей задачей было продемонстрировать, что эти частицы действительно связаны друг с другом.
«Одним из самых простых экспериментов было дать струнам расшириться», — говорит Милена Хорват, одна из ведущих авторов.
Исследователи сначала позволили атомам разойтись, удерживая их в пределах одномерных трубок. Во время этого расширения струны встречались и сталкивались, но связанные структуры сохранялись.
«Это замечательное свойство струн: они могут сталкиваться, не распадаясь», — отмечает Милена Хорват.
Затем учёные провели вторую версию эксперимента, в которой сняли ограничение и позволили атомам свободно расширяться в трёхмерном пространстве. Поскольку струны Бете могут существовать только в одном измерении, выпуск атомов в трёх измерениях привёл к распаду связанных состояний.
Энергия, удерживавшая частицы связанными, при этом превратилась в кинетическое движение, из-за чего атомы разошлись быстрее. Сравнение двух типов расширения дало исследователям ясный способ идентифицировать присутствие струн Бете.
Когда частицы были несвязанными, как это было при отталкивающих взаимодействиях, оба измерения расширения давали по существу одинаковую энергию. Когда же присутствовали струны Бете, трёхмерное расширение содержало дополнительную энергию, выделившуюся при распаде связанных состояний.
Новая лаборатория для квантовой многочастичной физики
«Струны Бете были предсказаны почти столетие назад как часть красивого математического описания квантовых многочастичных систем», — говорит Судипта Дар, ещё один из ведущих авторов. «Теперь мы можем создавать их в лаборатории, манипулировать ими, сталкивать и исследовать их замечательную коллизионную стабильность».
Ранее струны Бете были обнаружены экспериментально в твердотельных магнитных системах. Новая работа помещает эти необычные квантовые связанные состояния в совершенно другую 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 эти коллективные квантовые объекты формируются и взаимодействуют», — говорит ведущий теоретик Альвисе Бастианелло.
Исследование финансировалось Австрийским научным фондом FWF через грант Витгенштейна, Европейским союзом через грант ERC и Советом по инженерным и физическим наукам Великобритании. Милена Хорват является участницей докторальной программы FWF «Атомы, свет и молекулы» (DK-ALM).
Материалы предоставлены Инсбрукским университетом.
Авторы статьи: Милена Хорват, Альвисе Бастианелло, Судипта Дар, Ребекка Кох, Янлян Го, Жан-Себастьян Ко, Мануэле Ландини, Ханс-Кристоф Нэгерль. «Исследование струн Бете в притягивающем одномерном бозоновом газе». Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-76018-0.
