Физики увидели квантовые «струны», предсказанные почти 100 лет назад

Почти сто лет назад немецкий физик Ханс Бете описал странную возможность квантового мира. В определённых одномерных системах несколько частиц способны объединяться в устойчивые связанные состояния, хотя никаких привычных химических связей между ними нет. Эти образования получили название струн Бете и долгое время существовали прежде всего внутри математических уравнений. Теперь исследователи из Инсбрука превратили почти вековое предсказание в управляемый лабораторный объект: струны создали из ультрахолодных атомов цезия, заставили двигаться и даже сталкиваться друг с другом.

История начинается в 1931 году, когда 25-летний Бете разработал математический метод решения некоторых одномерных квантовых задач, позднее получивший название анзаца Бете. Одномерность здесь имеет принципиальное значение. Представим людей, движущихся не по площади, а по очень узкому коридору, где невозможно обойти соседа. Каждая встреча неизбежно влияет на дальнейшее движение. Для квантовых частиц такое ограничение способно породить коллективное поведение, которое в привычном трёхмерном пространстве либо отсутствует, либо выглядит совершенно иначе.

Струна Бете при этом вовсе не похожа на микроскопическую верёвку. Это связанное квантовое состояние нескольких частиц, возникающее благодаря их взаимодействию. Его удобнее представить как коллектив, который ведёт себя подобно единому объекту, хотя состоит из отдельных атомов. В эксперименте удалось получить состояния различного размера, включая кластеры из шести и более частиц. Чем больше атомов входит в такое образование, тем интереснее становится задача описания его движения и взаимодействия с другими кластерами.

Чтобы построить этот необычный квантовый мир, команда Инсбрукского университета использовала облако атомов цезия. Его охладили до температуры всего в несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. При таком охлаждении тепловое движение почти исчезает, и на первый план выходят квантовые свойства вещества, обычно скрытые хаотическим движением атомов при комнатной температуре.

Затем исследователи разделили газ на несколько тысяч чрезвычайно узких трубок. Атомы внутри каждой из них могли перемещаться практически только вперёд или назад. Фактически лаборатория создала тысячи параллельных одномерных вселенных. Важнейшее преимущество ультрахолодных атомов заключается в возможности управлять силой и даже характером взаимодействия между ними. Физики могут переключаться от режима, в котором атомы отталкиваются, к режиму взаимного притяжения.

Именно после включения притяжения начинается главное. Можно было ожидать, что газ просто потеряет устойчивость и атомы соберутся в бесформенный плотный сгусток. Вместо этого в одномерной системе возникают связанные состояния определённых размеров — те самые струны Бете. Их существование является следствием одновременно квантовой механики, характера взаимодействий и строгого ограничения движения одним измерением.

Но как убедиться, что невидимые атомы действительно образовали связанные группы? Исследователи воспользовались неожиданно наглядным приёмом. Газу позволили расширяться, сначала сохраняя одномерные трубки. Струны двигались по ним и сталкивались друг с другом, но связанные состояния демонстрировали удивительную устойчивость. Столкновение не обязательно разрушало кластер: он мог продолжить движение, сохранив свою коллективную структуру.

Затем эксперимент повторили иначе. Ограничение одномерным пространством внезапно убрали, позволив атомам расширяться сразу в трёх направлениях. И здесь обнаружилась принципиальная разница. Струна Бете является связанной именно благодаря условиям одномерной системы. После выхода в трёхмерное пространство кластер распадается, а энергия, прежде связанная с его внутренним состоянием, превращается в кинетическую энергию разлетающихся атомов. Они начинают расширяться быстрее.

Получается своеобразный квантовый тест на прочность. Если атомы первоначально не связаны, одномерное и трёхмерное расширение дают близкие результаты. Если же существуют струны Бете, при их разрушении появляется дополнительная энергия движения. Сравнивая оба сценария, исследователи получили экспериментальную подпись связанных многочастичных состояний и смогли изучать, как их свойства меняются при различной силе взаимодействия.

Особенно любопытна устойчивость струн при столкновениях. В обычном мире два сложных объекта при достаточно сильном ударе способны деформироваться, разрушиться или обменяться частями. В некоторых точно решаемых одномерных квантовых системах столкновения устроены иначе: коллективные возбуждения могут проходить через взаимодействие, сохраняя важнейшие характеристики. Это связано с интегрируемостью — особым свойством системы, при котором существует множество сохраняющихся величин, жёстко ограничивающих возможные результаты столкновения.

Струны Бете уже наблюдались в другом физическом воплощении, в частности в магнитных твердотельных системах. Однако ультрахолодный атомный газ предоставляет исследователям значительно более гибкую экспериментальную площадку. Здесь можно изменять плотность, геометрию ловушки, силу притяжения и другие параметры почти как настройки лабораторного прибора. Вместо того чтобы только обнаружить существование необычного состояния в готовом материале, физики получают возможность конструировать условия его появления.

Именно это делает новый эксперимент важнее красивого подтверждения идеи 1931 года. Струны Бете становятся инструментом исследования многочастичной квантовой физики. Можно изучать их образование, разрушение, столкновения, устойчивость и переходы между различными режимами. Подобные эксперименты помогают понять фундаментальную проблему: как из простых законов взаимодействия отдельных частиц возникает сложное коллективное поведение большого количества квантовых объектов.

История при этом замыкает необычный круг. Когда Бете создавал своё математическое решение, невозможно было представить лабораторию, в которой отдельные параметры такой модели можно будет буквально настраивать экспериментатору. Почти столетие спустя физики научились охлаждать атомы практически до абсолютного нуля, запирать их в искусственном одномерном мире и заставлять следовать предсказаниям старых уравнений. То, что десятилетиями выглядело как изящная математическая конструкция, теперь можно создавать, разрушать и сталкивать в лаборатории. Иногда физике действительно требуется почти сто лет, чтобы догнать собственную математику.