Физики обнаружили новые свидетельства квантового явления, которое было предсказано в 1931 году физиком Хансом Бетхе: формирование скоплений атомов, которые ведут себя как единое целое, именуемых струнами Бетхе.
Для изучения этого явления команда охладила атомы цезия до температур, близких к абсолютному нулю, и ограничила их в чрезвычайно узких трубках. Измерения показали наличие скоплений, состоящих как минимум из шести атомов, однако они еще не доказывают окончательно существование этих структур.
Предсказание Бетхе возникло в результате исследований квантового поведения физических систем и их связи с магнетизмом. Его расчеты предполагали, что частицы могут образовывать группы с коллективными свойствами, что позже стало предметом изучения в системах атомов.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи работали с десятками тысяч атомов цезия, охлажденных почти до абсолютного нуля. В таких условиях они создали конденсат Бозе-Эйнштейна — состояние, при котором частицы разделяют одно и то же квантовое состояние.
Лазерные лучи разделили материал на тысячи узких трубок, в которых атомы выстроились в ряд. Команда также регулировала взаимодействие между частицами с помощью магнитного поля, создавая условия, благоприятные для образования связанных скоплений.
Эта конфигурация позволила изучить поведение атомов в одном измерении, не давая им проходить друг сквозь друга. Ханнс-Кристоф Nägerl, физик из Университета Инсбрук и соавтор исследования, сравнил такое расположение с ожерельем из бусин: атомы выстраиваются как бусины на нити.
Исследователи не наблюдали струны Бетхе напрямую. Вместо этого они изучали признаки их присутствия, сравнивая энергию, высвобождаемую атомами во время расширения в различных условиях.
Когда движение было ограничено трубками, скопления оставались связанными. Однако расширение в трех измерениях приводило к распаду этих структур, высвобождая энергию в виде движения. Разница между этими двумя ситуациями предоставила подсказки о силе связей между атомами.
Измерения показали количество энергии, примерно в три раза больше при трехмерном расширении. Данные указывали на скопления из не менее шести атомов и соответствовали прогнозам теоретической модели. Тем не менее, это косвенное свидетельство: результат не эквивалентен однозначному наблюдению структур.
Эксперимент также столкнулся с ограничениями. Скопления могут существовать недолго перед тем, как распасться и образовать обычные молекулы цезия. При попытках, проведенных при самых низких температурах, команда потеряла около 40% атомов.
В интервью Live Science Nägerl подчеркнул необходимость осторожности при интерпретации результатов: «Тот факт, что теория соответствует ее данным, не является доказательством того, что что-то существует».
Среди центральных аспектов исследования: исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, добавляет свидетельств к изучению струн Бетхе, но оставляет открытым фундаментальный вопрос: продемонстрировать напрямую, что скопления, предсказанные теорией, формируются и сохраняются в наблюдаемых условиях.