Почти через сто лет после теоретического предсказания физика Ханса Бете исследователи смогли создать и наблюдать необычные квантовые структуры, получившие название «струны Бете». Эксперимент провела группа квантового физика Ханнса-Кристофа Негерля. Работа открывает возможность управляемого изучения таких коллективных состояний квантовых систем.
Ещё в 1931 году Бете предположил, что частицы в некоторых одномерных квантовых системах способны объединяться в связанные коллективные состояния. В отличие от обычных молекул, их удерживают не химические связи, а взаимодействия между самими частицами. Существовать такие структуры могут только в пространстве с одним измерением.
Учёные Университета Инсбрука вместе с теоретиками из Амстердамского университета и Мюнхенского технического университета получили эти многокомпонентные состояния в ультрахолодном газе. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Для эксперимента облако атомов цезия охладили до температуры, превышающей абсолютный ноль всего на несколько миллиардных долей градуса.
Затем атомное облако разделили на несколько тысяч очень узких трубок. Внутри каждой из них частицы могли двигаться практически только в одном направлении, а силу их взаимодействия исследователи регулировали с высокой точностью. При переходе отталкивания к притяжению атомы начали объединяться в связанные группы, причём размеры кластеров различались, а некоторые из них включали шесть и более частиц.
Чтобы проверить устойчивость образовавшихся структур, учёные позволили атомам расширяться внутри одномерных 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.
В другом варианте эксперимента ограничение сняли, и атомы получили возможность свободно распространяться в трёхмерном пространстве. Поскольку струны Бете существуют только в одном измерении, после освобождения они распались, а энергия, связывавшая частицы, перешла в движение. Сравнение двух режимов расширения позволило выявить структуры: при несвязанных частицах энергия оставалась практически одинаковой, тогда как распад струн добавлял энергию трёхмерному расширению. «Теперь мы можем создавать их в лаборатории, управлять ими, сталкивать их и исследовать их удивительную устойчивость при столкновениях», — отметил другой ведущий автор Судипта Дхар. Как сообщает ScienceDaily, финансирование исследования обеспечили Австрийский научный фонд FWF, Европейский союз и британский Совет по инженерным и физическим наукам.