Аннотация:
Квантовомеханическое предсказание, родившееся в 1931 году, было наконец успешно реализовано учёными почти столетие спустя.
Исследовательская группа из Университета Инсбрука в Австрии, Университета Амстердама в Нидерландах и Технического университета Мюнхена в Германии объявила, что они впервые создали и непосредственно наблюдали специальные квантовые структуры, называемые «струны Бете», в ультрахолодных атомных газах. Это достижение не только подтверждает теоретическое предсказание, предложенное немецким физиком Гансом Бете почти столетие назад, но и обеспечивает новую экспериментальную платформу для изучения квантовых систем многих тел.
В 1931 году Бейт предположил, что в некоторых особых квантовых системах частицы могут образовывать уникальное связанное состояние. Эти группы частиц называются струнами Бете и могут существовать только в одномерной среде, то есть системе, в которой частицы могут двигаться только по прямой линии.
В отличие от традиционных молекул, струны Бет не полагаются на химические связи для поддержания своей структуры, а остаются объединенными полностью за счет квантовых взаимодействий между частицами. Из-за этого оно долгое время считалось одним из самых элегантных и трудных для проверки предсказаний квантовой теории многих тел.
За последние несколько десятилетий ученые косвенно наблюдали явления, связанные со струнами Бете, в твердотельных магнитных материалах. Но этим системам не хватает достаточной управляемости, что затрудняет исследователям точное регулирование взаимодействий между частицами.
Теперь исследовательская группа впервые успешно сконструировала струну Бете в ультрахолодном атомарном газе, создав идеальную среду для дальнейшего изучения ее свойств.
Судипта Дхар, один из руководителей исследования, сказал, что струны Бете появились в математических теориях, описывающих квантовые системы многих тел, почти столетие назад. Теперь исследователи могут не только создавать их в лаборатории, но и манипулировать ими, заставлять сталкиваться и изучать их удивительную стабильность.
Чтобы позволить сформироваться струнам Бете, команда сначала охладила атомы цезия всего на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Затем они использовали специальное устройство, чтобы распределить атомы по тысячам чрезвычайно узких микроскопических трубок.
Функция этих труб — ограничить направление движения атомов, чтобы частицы могли двигаться почти только по прямой линии, тем самым создавая одномерную квантовую среду, требуемую теорией.
После создания этой системы исследователи скорректировали характер взаимодействия между атомами, превратив изначально взаимоисключающее состояние во взаимное притяжение.
Интуитивно понятно, что сильное притяжение может привести к коллапсу всего облака атомов. Однако эксперименты показали, что система не разрушилась, а образовала множественные стабильно связанные кластеры. Эти кластеры различаются по размеру: некоторые структуры содержат более шести частиц, сгруппированных вместе.
Исследовательская группа подтвердила, что эти особые кластеры представляют собой именно те струны Бете, которые были предсказаны теорией Ганса Бете 1931 года.
Этот эксперимент с ультрахолодным газом имеет очевидные преимущества перед предыдущими наблюдениями в твердых материалах. Исследователи могут не только регулировать плотность частиц, но и точно контролировать геометрию системы и интенсивность взаимодействия между частицами, что позволяет им изучать формирование и эволюцию струн Бейта с беспрецедентной степенью свободы.
Ученые заявили, что этот результат является не только важным подтверждением классической квантовой теории, но и помогает глубоко понять сложное поведение в одномерных квантовых системах.
Поскольку развитие квантовых вычислений, квантового моделирования и будущих систем квантовой связи основано на понимании квантовых явлений многих тел, ожидается, что исследования струн Бете станут важной теоретической и экспериментальной основой в смежных областях.
Это научное путешествие, длившееся 95 лет, от математического вывода в 1931 году до экспериментальной реализации в 2026 году, наконец, подошло к концу. Для сообщества квантовой физики это не конец, а новая отправная точка для исследования более сложных квантовых структур.
Комментарии