Ученые впервые в лабораторных условиях создали и пронаблюдали необычные квантовые структуры, известные как «струны Бете». Их существование почти сто лет назад предсказал нобелевский лауреат Ханс Бете. Эксперимент, проведенный группой физиков из Инсбрукского университета при поддержке теоретиков из Амстердамского университета и Мюнхенского технического университета, позволяет изучать эти сложные квантовые состояния в полностью контролируемой среде. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Ханс Бете в 1931 году предположил, что в определенных одномерных квантовых системах частицы могут объединяться в коллективные состояния. Эти структуры, названные «струнами Бете», принципиально отличаются от молекул: их удерживают вместе не химические связи, а взаимные квантовые взаимодействия. Важное условие их существования – одномерное пространство.
Чтобы получить «струны», исследователи охладили облако атомов цезия до температуры, лишь на несколько миллиардных долей градуса превышающей абсолютный ноль. Затем это облако разделили на тысячи чрезвычайно тонких трубок. Внутри каждой трубки атомы могли двигаться только в одном направлении, что создавало необходимое одномерное окружение. Управляя силой взаимодействия между атомами, ученые переключили его с отталкивающего на притягивающее, заставив частицы объединиться в связанные группы разного размера, некоторые из которых насчитывали шесть и более атомов.
Для подтверждения того, что атомы действительно образовали устойчивые «струны», физики провели два эксперимента. Сначала они позволили структурам расширяться внутри одномерных трубок. «Струны» сталкивались друг с другом, но не распадались, что показало их прочность. Затем ученые убрали внешние ограничения, позволив атомам свободно расширяться в трехмерном пространстве. Поскольку «струны Бете» не могут существовать вне одного измерения, они распались.
При распаде энергия, связывавшая частицы, перешла в кинетическую энергию, заставив атомы разлетаться быстрее. Сравнив скорость расширения в обоих случаях, ученые получили прямое доказательство существования «струн». В трехмерном пространстве была зафиксирована дополнительная энергия, высвободившаяся при их распаде. Ранее «струны Бете» удавалось обнаружить только в твердотельных магнитных системах, но новая методика с использованием ультрахолодного газа открывает более широкие возможности для их изучения.
