Физики доказали столетнее предсказание о квантовых струнах Бете в ультрахолодных атомах цезия

❋ 4.1

Ученые провели эксперимент с ультрахолодным газом и впервые зафиксировали образование многочастичных квантовых структур — струн Бете. Наблюдение перевело столетнюю математическую гипотезу в разряд доказанных физических явлений и дало науке новый инструмент для изучения квантовой динамики.

Физика

# квантовая физика

# оптическая ловушка

# ультрахолодные молекулы

# цезий

Художественная иллюстрация струн Бете в ультрахолодном газе / © University of Innsbruck

В обычном трехмерном мире атомы объединяются в молекулы за счет химических связей. Но в строго одномерном пространстве действуют иные правила квантовой механики. Еще в 1931 году физик Ханс Бете математически предсказал, что в одном измерении частицы могут связываться вместе исключительно за счет сил квантового притяжения друг к другу, не образуя классических молекул. Эти гипотетические структуры получили название «струны Бете».

Десятилетиями струны оставались абстрактной концепцией. Заставить частицы притягиваться друг к другу на практике очень сложно. Обычно газовое облако с сильным притяжением просто схлопывается в плотный комок. Ученым не хватало системы, где можно было бы плавно менять силу притяжения частиц, сохраняя при этом газ от мгновенного разрушения.

Международная группа физиков нашла способ создать такие условия. Результаты опубликовали в журнале Nature Communications.

Ученые охладили облако атомов цезия до температур на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Затем лазерными лучами разделили облако на несколько тысяч узких трубок. Внутри этих оптических ловушек атомы двигались только в одном измерении: вперед или назад.

Меняя магнитное поле, экспериментаторы переключили взаимодействие атомов с отталкивания на притяжение. Благодаря законам одномерной физики газ не схлопнулся мгновенно. Атомы образовали связанные цепочки разного размера. Анализ помог выявить присутствие в трубках структур, состоящих из шести и более частиц.

Чтобы доказать существование струн, ученым нужно было измерить их энергию. Сначала атомам позволили расширяться внутри одномерных трубок. Струны сталкивались, но оставались целыми, поэтому кинетическая энергия системы оставалась низкой.

Затем исследователи отключили лазерные ловушки и позволили атомам свободно разлетаться в трех измерениях. Поскольку струны Бете могут существовать только в одномерном пространстве, они моментально разорвались. Скрытая энергия связи перешла в энергию движения, заставив частицы разлетаться гораздо быстрее.

Разница между энергиями расширения стала прямым доказательством наличия связанных структур. Измерения точно совпали с гидродинамическими математическими моделями.

В итоге физики превратили математическую модель из старых учебников в реальный лабораторный объект. В будущем ученые планируют изучить, как подобные связанные квантовые объекты формируются вне состояния покоя и как они влияют на перенос тепла в новых материалах.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl (Cmd) + Enter.

Автор материалов на стыке разных областей знания — от археологии и палеонтологии до физики и технологий. Интересуется тем, как работает мир, и рассказывает об этом понятно и увлекательно.