Фізики вперше побачили квантові «струни Бете» в ультрахолодному газі

09 жовтня 2026 р. 15:58

09 жовтня 2026 р. 15:58

Майже через століття після теоретичного передбачення нобелівського лауреата Ганса Бете фізикам вдалося створити й безпосередньо спостерігати незвичайні квантові стани, відомі як «струни Бете», в ультрахолодному газі. Про це повідомляє команда з Університету Інсбрука, на яку посилається ScienceDaily .

Що таке струни Бете і чим вони відрізняються від молекул

У 1931 році Ганс Бете запропонував, що частинки в деяких квантових системах, обмежених одновимірним рухом, можуть об’єднуватися в колективні стани, які нині називають струнами Бете. Вони принципово відрізняються від звичайних молекул.

У молекулах атоми поєднані хімічними зв’язками. У струнах Бете частинки «тримає разом» не хімія, а їхні квантові взаємодії. Такі зв’язані стани можуть існувати лише в умовах жорсткої одномірності, коли частинки рухаються фактично лише вздовж однієї лінії.

Впродовж більшої частини XX століття струни Бете залишалися переважно математичною конструкцією. Тепер дослідники з Інсбрука, у співпраці з теоретиками з Амстердамського університету та Технічного університету Мюнхена, змогли створити й виявити багаточастинкові зв’язані стани такого типу в ультрахолодному газі. Результати опубліковані в журналі Nature Communications.

Як охолоджені атоми цезію утворили квантові струни

Щоб отримати ці незвичні квантові стани, команда під керівництвом Ганнса-Крістофа Негерля (Hanns-Christoph Nägerl) почала з хмари атомів цезію, охолоджених до температур лише на кілька мільярдних часток градуса вище абсолютного нуля. Далі цю хмару розділили на кілька тисяч надзвичайно вузьких «трубок» світла.

У кожній такій оптичній трубці атоми фактично можуть рухатися тільки вздовж однієї осі, що створює необхідне одномірне середовище для існування струн Бете. Фізики також можуть дуже точно налаштовувати силу взаємодії між атомами.

Змінюючи характер взаємодії з відштовхувального на привабливий, дослідники змусили атоми з’єднуватися в зв’язані стани. Замість того щоб просто злипнутися в один великий кластер, система утворила цілі «сімейства» кластерів різного розміру. Деякі з найбільших містили по шість і більше атомів.

Перевірка: як струни Бете стикаються і руйнуються

Наступним кроком було довести, що атоми в цих кластерах справді зв’язані в єдиний квантовий об’єкт. Один із найпростіших тестів, як пояснює провідна авторка Мілена Горват (Milena Horvath), полягав у тому, щоб дати струнам розширюватися вздовж своїх одномірних трубок.

Коли кластери почали розповзатися, вони зустрічалися та стикалися один з одним, але при цьому залишалися цілими. За словами Горват, це виявилося однією з разючих властивостей струн Бете: вони можуть зіткнутися, не розпавшись.

У другій версії експерименту фізики повністю зняли обмеження і дозволили атомам вільно розширюватися вже в тривимірному просторі. Оскільки струни Бете можуть існувати лише в одновимірному середовищі, перехід до трьох вимірів змусив зв’язані стани розвалитися.

Енергія, яка утримувала частинки разом, перетворилася на поступальний рух, і атоми почали розлітатися швидше. Порівнюючи, як газ розширюється в одному вимірі (коли струни зберігаються) і в трьох (де вони руйнуються), дослідники отримали чітку «відбитку» наявності струн Бете.

Коли взаємодія між атомами була відштовхувальною, тобто частинки були незв’язані, обидва типи вимірювань демонстрували майже однакову енергію. Натомість за наявності струн Бете тривимірне розширення показувало додаткову енергію, що вивільнялася під час розпаду зв’язаних станів.

Нова лабораторія для квантової багаточастинкової фізики

Співавтор Судіпта Дгар (Sudipta Dhar) наголошує, що струни Бете були передбачені як частина вишуканого математичного опису квантових багаточастинкових систем майже сто років тому. Тепер їх можна не лише створювати в лабораторії, а й керувати ними, змушувати стикатися й досліджувати їхню незвичну стійкість до зіткнень.

Раніше струни Бете вже виявляли в деяких твердотільних магнітних системах. Нова робота переносить ці квантові зв’язані стани в зовсім інший контекст — ультрахолодний атомний газ , у якому можна з винятковою точністю контролювати геометрію системи, густину частинок і силу їхньої взаємодії.

Головний теоретик проєкту Альвізе Бастіанелло (Alvise Bastianello) зазначає, що це відкриває нові можливості для вивчення того, як формуються й взаємодіють колективні квантові об’єкти. Така платформа дає змогу перевіряти теоретичні моделі квантових багаточастинкових систем у добре керованих умовах і може стати основою для подальших досліджень складних квантових явищ.

Наука