Физики впервые создали и наблюдали необычные квантовые структуры, известные как «струны Бете», используя ультрахолодные атомы. Их существование ещё в 1931 году предсказал лауреат Нобелевской премии Ханс Бете. Эксперимент под руководством квантового физика Ханнса-Кристофа Нэгерля провели исследователи Университета Инсбрука совместно с теоретиками из Амстердамского университета и Мюнхенского технического университета, а результаты опубликовал журнал Nature Communications.
Для эксперимента облако атомов цезия охладили до температуры, превышающей абсолютный ноль всего на несколько миллиардных долей градуса. Затем его разделили на несколько тысяч очень узких трубок. Внутри каждой из них атомы могли двигаться практически только в одном направлении, что создало необходимую для струн Бете одномерную среду.
Учёные меняли силу взаимодействия между атомами — отталкивание заменяли притяжением. В результате частицы объединялись в связанные состояния разного размера, причём некоторые кластеры включали шесть и более атомов. В отличие от обычных молекул, такие структуры удерживаются не химическими связями, а взаимодействием частиц и могут существовать только в одном измерении.
Чтобы проверить устойчивость образовавшихся состояний, исследователи позволили атомам расширяться внутри трубок. Струны сталкивались друг с другом, но не разрушались. «Это замечательное свойство струн: они могут сталкиваться, не распадаясь», — сказала одна из ведущих авторов работы Милена Хорват.
Затем ограничение сняли, и атомы получили возможность свободно распространяться в трёхмерном пространстве. Поскольку струны Бете существуют только в одном измерении, связанные состояния распались, а энергия, удерживавшая частицы вместе, перешла в движение и ускорила их разлёт. Сравнение двух вариантов расширения позволило обнаружить струны: у несвязанных атомов энергия в обоих случаях была почти одинаковой, тогда как при наличии струн трёхмерное расширение сопровождалось дополнительным выбросом энергии.
«Теперь мы можем создавать их в лаборатории, управлять ими, заставлять сталкиваться и исследовать их удивительную устойчивость при столкновениях», — отметил другой ведущий автор Судипта Дхар. Ранее струны Бете обнаруживали в твёрдотельных магнитных системах, а новый эксперимент перенёс их изучение в ультрахолодный атомный газ, где можно с высокой точностью контролировать геометрию, плотность частиц и взаимодействия. Работа получила поддержку Австрийского научного фонда FWF, Европейского союза и британского Совета по инженерным и физическим наукам; Милена Хорват входит в докторскую программу FWF «Атомы, свет и молекулы» (DK-ALM).