В ходе эксперимента исследователи работали с ультрахолодным газом и впервые зарегистрировали формирование многокомпонентных квантовых структур, известных как струны Бете. Это наблюдение подтвердило математическую гипотезу, существовавшую на протяжении столетия, и предоставило научному сообществу новый метод для анализа квантовой динамики.

В привычном трехмерном окружении атомы формируют молекулы посредством химических связей. Однако в строго одномерном пространстве действуют иные принципы, основанные на законах квантовой механики. В 1931 году физик Ханс Бете предсказал математически, что в одномерной среде частицы способны соединяться исключительно благодаря квантовому притяжению, не формируя классические молекулы. Эти предполагаемые структуры получили наименование «струны Бете».

В течение многих лет струны оставались теоретической конструкцией. Практическая реализация притяжения частиц друг к другу представляет собой сложную задачу. В обычных условиях газовое облако с выраженным притяжением стремится к коллапсу, образуя плотное скопление. Для проведения исследования требовалась система, позволяющая постепенно регулировать силу взаимодействия между частицами и предотвращать мгновенное разрушение газа.

Группа ученых из разных стран смогла разработать методику создания таких условий. Результаты опубликовали в журнале Nature Communications.

Исследователи понизили температуру облака атомов цезия до значений, лишь на несколько миллиардных долей градуса превышающих абсолютный ноль. После этого с помощью лазерного излучения облако было разделено на тысячи тонких трубок. Внутри этих оптических ловушек атомы перемещались исключительно в одном направлении: вперед или назад.

Изменяя величину магнитного поля, исследователи переключили взаимодействие атомов из отталкивания в притяжение. В силу законов одномерной физики газ не схлопнулся мгновенно; образовались связанные цепочки различной длины. Проведенный анализ позволил установить наличие в трубках структур, включающих шесть и более частиц.

Для подтверждения существования струн ученым требовалось определить их энергию. Первоначально атомам была предоставлена возможность расширяться внутри одномерных трубок. Струны сталкивались друг с другом, но при этом сохраняли целостность, что обеспечило поддержание низкой кинетической энергии системы.

После этого исследователи деактивировали лазерные ловушки и дали атомам возможность свободно перемещаться в трехмерном пространстве. Поскольку струны Бете могут существовать исключительно в одномерной среде, они немедленно разрушились. Потенциальная энергия связи трансформировалась в кинетическую энергию движения, что привело к значительному ускорению частиц.

Выявленная рассогласованность энергетических уровней послужила убедительным подтверждением существования взаимосвязанных структур. Полученные данные продемонстрировали полное соответствие гидродинамическим математическим моделям.

Благодаря этим результатам физики смогли адаптировать математические модели, ранее используемые в учебной литературе, для практического применения в лабораторных условиях. В дальнейшем исследователи намерены выяснить принципы формирования подобных связанных квантовых объектов при отсутствии стационарного состояния и их влияние на теплопередачу в перспективных материалах.