Почти век след като лауреатът на Нобелова награда Ханс Бете предсказа тяхното съществуване, учените са създали и наблюдавали необичайни квантови структури, известни като „струни на Бете“, като са използвали ултрастудени атоми. Експериментът, ръководен от квантовия физик Ханс-Кристоф Негерля предоставя на изследователите добре контролиран начин за изучаване на тези необичайни квантови многочастични състояния.

През 1931 година физикът Ханс Бете предположи, че частиците в някои квантови системи, ограничени до едно измерение могат да се обединяват в колективни състояния, които днес наричаме „струни на Бете“. Тези структури се различават принципно от обичайните молекули. Частиците са свързани не чрез химически връзки, а чрез взаимодействията си помежду си и такива състояния могат да съществуват само в едно измерение.

През по-голямата част от миналия век „струните на Бете“ оставаха предимно теоретична идея. Изследователи от Университета в Инсбрук са създали и открили тези многочастични свързани състояния в ултрастуден газ, като са работили съвместно с теоретични екипи от Института по експериментална физика към Амстердамския университет и Техническия университет в Мюнхен. Резултатите са публикувани в списанието Nature Communications.

За да създадат необичайните квантови състояния, изследователите са започнали с облак от цезиеви атоми, охладен до едва няколко милиардни части от градуса над абсолютната нула. След това облакът е бил разделен на няколко хиляди изключително тесни тръбички.

Във всяка тръбичка атомите фактически могат да се движат само в една посока, което създава едномерна среда, необходима за съществуването на струни на Бете. Изследователите също така могат точно да регулират силата на взаимодействието между атомите. Като е променил взаимодействията от отблъскващи на привличащи, екипът е накарал атомите да се свържат. Вместо просто да се съберат в една група, атомите са образували свързани състояния с няколко различни размери. Някои от по-големите клъстери са съдържали шест и повече частици. Следващата задача била да се докаже, че тези частици наистина са свързани помежду си.

Изследователите първо позволили на атомите да се разпространят, като ги задържаха вътре в едномерни тръби. По време на това разширяване струните се сблъсквали една с друга, но свързаните структури оцелявали.

„Това е забележителна особеност на струните: те могат да се сблъскват, без да се разпадат.“

казва Милена Хорват, член от екипа

След това учените провели втора версия на експеримента, в която премахнали ограничението и позволили на атомите да се разширяват свободно в триизмерното пространство. Тъй като „струните на Бете“ могат да съществуват само в едно измерение, освобождаването на атомите в три измерения довело до разпадане на свързаните състояния.

Енергията, която е държала частиците свързани се е превръщала в движение, карайки атомите да се разпръскват по-бързо. Сравнението между двата вида разширяване даде на изследователите ясен начин да идентифицират наличието на „струни на Бете“.

Когато частиците са били несвързани, както при отблъскващите взаимодействия и двете измерения на разширяването са давали практически еднаква енергия. При наличието обаче на струни на Бете триизмерното разширяване съдържало допълнителна енергия, освобождавана при разпадането на свързаните състояния.

„Струните на Бете бяха предсказани преди почти век като част от красиво математическо описание на квантови многочастични системи. Сега можем да ги създаваме в лабораторията, да ги манипулираме, да ги караме да се сблъскват и да изследваме тяхната забележителна устойчивост при сблъсъци.“

казва Судипта Дхар, един от водещите автори

„Струните на Бете“ по-рано бяха открити експериментално в твърдотелни магнитни системи. Новата работа поставя тези необичайни квантови свързани състояния в напълно различна среда: ултрастуден атомен газ, където изследователите могат да контролират геометрията на системата, плътността на частиците и взаимодействията с изключителна точност.

„Това отваря нови възможности за изучаване на това как се формират и взаимодействат тези колективни квантови обекти.“

казва водещият теоретик Алвизе Бастианело