Спустя почти век после предположения Нильса Бетте о существовании особых квантовых состояний в однопространственных системах, учёным удалось впервые создать и зафиксировать так называемые «Bethe strings» в ультраглубокосмоленном газе. Руководитель экспериментов, квантовый физик Ханс-Кристоф Негерл, и его коллеги из Университета Инсбрука продемонстрировали управляемый доступ к этим многопартонным связанным состояниям, которые отличаются от обычных молекул тем, что связи возникают не через химические связи, а благодаря взаимодействиям между частицами в одномерной среде. Результаты опубликованы как часть Nature Communications.

Для реализации условий Bethe strings исследователи взяли облако цезия, охлажденное до нескольких миллиардных долей градуса над абсолютным нулём, и разделили его на тысячи узких трубок. В каждой трубке частицы оказываются ограничены движением вдоль одной оси, что создаёт необходимую для существования Bethe strings одномерную геометрию. Учёные также смогли точно регулировать силу взаимодействий между атомами, переключая их характер с отталкивающего на притягательное.

При переходе от отталкивающего к притягательному взаимодействию атомы начинают соединяться в связные структуры разной мощности; однако они не сходятся в одну группу, а формируют множества состояний разного размера. В некоторых наборах крупнейших кластеров насчитывалось шесть и более частиц. Этот факт и стал ключевым признаком того, что перед исследователями именно Bethe strings, а не произвольные агрегации частиц.

Чтобы убедиться, что речь идёт именно о связке частиц, учёные провели серию экспериментов на расширении строк: сначала позволили атомам частично распрямиться внутри своих одномерных трубок, и наблюдали, как связанные структуры сталкивались друг с другом, но сохраняли связанность. По словам ведущих авторов Милены Хорват, эти строки могут сталкиваться, не разваливались, что и подтверждает их необычный характер. Затем эксперимент повторили без ограничений, позволив атомам расширяться в трёхмерном пространстве; здесь Bethe strings распались, и энергия связывания перешла в движение частиц.

По словам су-дикты Дарра и других участников проекта, открытие даёт новую лабораторную площадку для изучения квантовой физики многих тел: Bethe strings впервые реализованы в ультрахолодной газовой системе, где можно контролировать геометрию, плотность частиц и взаимодействия. Роль теоретиков — Бастьянелло и коллег — подчёркнута как важная для понимания формирования и взаимодействий этих коллективных квантовых объектов. Финансирование проекта осуществлялось Фондом австрийского научного фонда FWF через приз Wittgenstein Prize, а также ЕС по ERC и УК EPSRC; Милена Хорват входит в докторантскую программу DK-ALM «Атомы, свет и молекулы».