Физики впервые наблюдали «струны Бете» — квантовые структуры, предсказанные 95 лет назад

В 1931 году физик Ганс Бете предположил, что в одномерных квантовых системах частицы могут связываться в многочастичные состояния — так называемые струны Бете. В отличие от обычных молекул, которые удерживаются химическими связями, эти структуры возникают исключительно из взаимодействия между частицами и существуют только в одном измерении. Долгие десятилетия это оставалось чисто теоретическим предсказанием.

Как проводили эксперимент

Исследователи начали с облака атомов цезия, охлаждённых до температуры всего в несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Затем они разделили облако на несколько тысяч узких одномерных трубок. Внутри этих трубок атомы могут двигаться практически только в одном направлении. Взаимодействия между атомами учёные могли точно контролировать, переводя их от отталкивающих к притягивающим. При притягивающих взаимодействиях атомы связывались в кластеры разных размеров, включая более крупные скопления из шести и более частиц.

Проверка целостности струн

Ключевой вопрос был простым: как убедиться, что частицы действительно связаны? Исследователи провели два типа расширения. Сначала они позволили атомам расширяться, оставляя их в одномерных трубках. Струны сталкивались друг с другом, но оставались целыми. «Это замечательная особенность струн: они могут сталкиваться, не распадаясь», — отметила Милена Хорват, один из ведущих авторов работы.

Во втором эксперименте исследователи убрали ограничение и позволили атомам свободно расширяться в трёх измерениях. Поскольку струны Бете могут существовать только в одном измерении, это резкое изменение привело к распаду связанных состояний. Энергия, которая удерживала частицы вместе, преобразовалась в кинетическую энергию движения, и атомы разлетелись с большей скоростью.

Различие в энергии — ключевой признак

Для несвязанных частиц (в режиме отталкивающего взаимодействия) оба типа расширения дали практически одинаковую энергию. Когда же присутствовали струны, трёхмерное расширение содержало дополнительную энергию, высвобождаемую при распаде связанных состояний. Эта разница стала чёткой сигнатурой существования струн Бете.

Новые возможности для исследований

Хотя струны Бете ранее наблюдались в твёрдотельных магнитных системах, новая работа переносит эти необычные квантовые состояния в среду ультрахолодного атомного газа. Здесь геометрия системы, плотность частиц и взаимодействия могут контролироваться с исключительной точностью. «Это открывает новые возможности для изучения того, как формируются и взаимодействуют эти коллективные квантовые объекты», — говорит ведущий теоретик Альвизе Бастианелло.

Результаты исследования опубликованы в Nature Communications под DOI: 10.1038/s41467-026-76018-0.