Эксперименты с атомами цезия: ученые принудили частицы сформировать нестандартные связи

В трехмерном пространстве атомы сцепляются в молекулы через химические связи. Но если ограничить движение частиц одной линией, физика меняется: частицы могут объединяться в цепочки только за счет квантового притяжения.

В 1931 году Ханс Бете предсказал существование таких структур, названных в его честь "струнами", но почти сто лет они оставались лишь математической формулой, которую невозможно было воплотить в реальности.

Главная проблема заключалась в стабильности. В обычном газе сильное притяжение между частицами приводит к коллапсу — облако просто схлопывается в плотный комок.

Чтобы увидеть струны Бете, требовалась система, в которой можно точно настраивать силу взаимодействия, не допуская мгновенного разрушения всей структуры.

Физики решили эту задачу, используя атомы цезия и экстремальный холод. Газ охладили до температур, которые лишь на миллиардные доли градуса превышают абсолютный ноль.

Затем с помощью лазерных лучей облако разбили на тысячи узких трубок. Внутри таких "оптических ловушек" атомы теряли возможность двигаться в стороны и могли перемещаться только вперед или назад, что фактически создало одномерный мир.

Меняя магнитное поле, ученые переключили режим взаимодействия атомов с отталкивания на притяжение. В одномерном пространстве это не привело к коллапсу: вместо этого атомы начали собираться в связанные цепочки. Анализ показал, что в трубках появились структуры, объединяющие шесть и более частиц.

Чтобы подтвердить, что перед ними именно струны Бете, а не случайные скопления, исследователи проверили их энергию связи через два этапа расширения:

• Сначала атомам дали расшириться внутри одномерных трубок. Струны сталкивались, но сохраняли целостность, поэтому общая кинетическая энергия системы оставалась низкой.
• Затем лазерные ловушки отключили, и атомы оказались в обычном трехмерном пространстве. Струны Бете не могут существовать вне одномерности и мгновенно распались. Энергия, которая удерживала их вместе, перешла в энергию движения, и частицы разлетелись значительно быстрее.

Разница в скорости разлета в двух сценариях стала прямым доказательством существования связанных структур. Полученные данные совпали с расчетами гидродинамических моделей.

Теперь, когда математическая модель превратилась в физический объект, ученые могут изучать механизмы формирования таких квантовых цепочек в движении и их влияние на теплопроводность новых материалов.