Квантовое предсказание 1931 года стало реальностью: учёные создали «струны Бете»

Почти век спустя после того, как нобелевский лауреат Ханс Бете предсказал их существование, учёные создали и наблюдали необычные квантовые структуры, известные как «струны Бете», используя ультрахолодные атомы. Эксперимент под руководством квантового физика Ханнса-Кристофа Негерля даёт исследователям хорошо контролируемый способ изучения этих необычных квантовых многочастичных состояний.

В 1931 году физик Ханс Бете предположил, что частицы в некоторых квантовых системах, ограниченных одним измерением, могут объединяться в коллективные состояния, которые сейчас называют струнами Бете. Эти структуры принципиально отличаются от привычных молекул. Частицы связаны не химическими связями, а своими взаимодействиями друг с другом, и такие состояния могут существовать только в одном измерении.

На протяжении большей части прошлого века струны Бете оставались преимущественно теоретической идеей. Исследователи из Университета Инсбрука теперь создали и обнаружили эти многочастичные связанные состояния в ультрахолодном газе, работая с теоретическими группами из Института экспериментальной физики Амстердамского университета и Мюнхенского технического университета. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

Для создания необычных квантовых состояний исследователи начали с облака атомов цезия, охлаждённого до всего нескольких миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Затем облако разделили на несколько тысяч чрезвычайно узких трубок.

Внутри каждой трубки атомы фактически могут двигаться только в одном направлении, что создаёт одномерную среду, необходимую для существования струн Бете. Исследователи также могут точно регулировать силу взаимодействия между атомами.

Меняя взаимодействия с отталкивающих на притягивающие, команда заставила атомы связываться. Вместо простого схлопывания в одну группу атомы образовали связанные состояния нескольких разных размеров. Некоторые из более крупных кластеров содержали шесть и более частиц.

Следующей задачей было доказать, что эти частицы действительно связаны друг с другом.

«Одним из простейших экспериментов было позволить струнам расширяться», — говорит Милена Хорват, один из ведущих авторов.

Исследователи сначала позволили атомам распространиться, удерживая их внутри одномерных трубок. Во время этого расширения струны сталкивались друг с другом, но связанные структуры выживали.

«Это замечательная особенность струн: они могут сталкиваться, не распадаясь», — говорит Милена Хорват.

Затем учёные провели вторую версию эксперимента, в которой убрали ограничение и позволили атомам свободно расширяться в трёхмерном пространстве. Поскольку струны Бете могут существовать только в одном измерении, высвобождение атомов в трёх измерениях приводило к распаду связанных состояний.

Энергия, удерживавшая частицы связанными, превращалась в движение, заставляя атомы разлетаться быстрее. Сравнение двух типов расширения дало исследователям чёткий способ идентифицировать присутствие струн Бете.

Когда частицы были несвязанными, как при отталкивающих взаимодействиях, оба измерения расширения давали практически одинаковую энергию. Однако при наличии струн Бете трёхмерное расширение содержало дополнительную энергию, высвобождаемую при распаде связанных состояний.

«Струны Бете были предсказаны почти век назад как часть красивого математического описания квантовых многочастичных систем», — говорит Судипта Дхар, ещё один ведущий автор. «Теперь мы можем создавать их в лаборатории, манипулировать ими, заставлять их сталкиваться и исследовать их замечательную устойчивость при столкновениях».

Струны Бете ранее экспериментально обнаруживались в твёрдотельных магнитных системах. Новая работа помещает эти необычные квантовые связанные состояния в совершенно иную среду: ультрахолодный атомный газ, где исследователи могут управлять геометрией системы, плотностью частиц и взаимодействиями с исключительной точностью.

«Это открывает новые возможности для изучения того, как формируются и взаимодействуют эти коллективные квантовые объекты», — говорит ведущий теоретик Альвизе Бастианелло.

Исследование финансировалось Австрийским научным фондом FWF через грант Премии Витгенштейна, Европейским союзом через грант ERC и британским Советом по инженерным и физическим научным исследованиям. Милена Хорват является участницей докторской программы FWF «Атомы, свет и молекулы» (DK-ALM).

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Инсбрука.

Milena Horvath, Alvise Bastianello, Sudipta Dhar, Rebekka Koch, Yanliang Guo, Jean-Sébastien Caux, Manuele Landini, Hanns-Christoph Nägerl. Probing Bethe strings in an attractive one-dimensional Bose gas. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-76018-0