Почти через сто лет после предсказания физикам удалось получить необычные связанные состояния атомов, известные как нити Бете. Для эксперимента исследователи использовали ультрахолодный газ цезия и заставили атомы двигаться практически только в одном направлении.

Работа показала, что несколько частиц могут образовывать устойчивые квантовые группы без обычных химических связей. Результаты исследования были опубликованы в 2026 году в журнале Nature Communications.

<h3>Предсказание почти вековой давности</h3>

В 1931 году физик Ганс Бете разработал математическое описание поведения взаимодействующих частиц в некоторых одномерных квантовых системах.

Из его расчетов следовало, что частицы способны объединяться в особые многочастичные связанные состояния, которые позднее стали называть нитями Бете.

Они принципиально отличаются от привычных молекул. В молекуле атомы удерживаются химическими связями, тогда как нити Бете возникают благодаря квантовым взаимодействиям между частицами в условиях практически одномерного движения.

Ранее отдельные проявления таких состояний уже наблюдали в других квантовых системах. Однако получить множество нитей Бете разного размера в хорошо контролируемом ультрахолодном газе долгое время не удавалось.

<h3>Как получили необычные структуры</h3>

Эксперимент провела команда под руководством физика Ханнса-Кристофа Нэгерля из Инсбрукского университета.

Ученые начали с облака атомов цезия, охлажденных до температуры всего на несколько миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. В таких условиях тепловое движение частиц становится крайне слабым, поэтому их квантовые свойства значительно легче исследовать.

Затем атомное облако разделили на несколько тысяч очень узких трубок. В каждой из них частицы могли двигаться практически только вперед и назад, то есть система становилась почти одномерной.

После этого исследователи изменили характер взаимодействия между атомами с отталкивающего на притягивающий.

В результате частицы начали объединяться в связанные группы. Измерения показали присутствие структур, состоящих более чем из шести атомов.

<h3>Почему эти группы оказались устойчивыми</h3>

Одним из наиболее интересных этапов эксперимента стало наблюдение за движением полученных квантовых состояний.

Ученые позволили атомным группам расширяться внутри одномерных трубок. Во время движения нити Бете сталкивались друг с другом, однако связанные структуры при этом сохранялись.

Такая устойчивость связана с особенностями взаимодействий в почти интегрируемой одномерной квантовой системе.

Для исследователей это особенно ценно: теперь необычные состояния можно не только получать, но и изучать их динамику, столкновения и взаимодействие друг с другом в условиях, которые хорошо контролируются в лаборатории.

<h3>Как доказали существование связи</h3>

Чтобы убедиться, что атомы действительно образовали связанные состояния, ученые использовали несколько независимых методов.

Одним из них стало измерение энергии связи. Полученные результаты указывали на наличие многочастичных групп, включавших более шести атомов.

Дополнительные подтверждения исследователи получили при анализе распределения импульсов частиц и других характеристик газа.

Экспериментальные данные хорошо согласовались с теоретическими расчетами, основанными на методах обобщенной гидродинамики.

Так ученые смогли связать математическое описание нитей Бете с наблюдаемым поведением реальной системы ультрахолодных атомов.

<h3>Зачем физикам нити Бете</h3>

Эксперимент дает новый инструмент для исследования квантовых систем из большого числа взаимодействующих частиц.

Поведение одного атома сравнительно легко описать, однако при увеличении числа частиц система быстро становится значительно сложнее. Возникают коллективные свойства, которые невозможно свести к простому поведению каждого отдельного атома.

Нити Бете позволяют изучать такие процессы в контролируемых условиях.

Ученые смогут менять плотность газа, силу взаимодействия между частицами и другие параметры, наблюдая, как это влияет на образование и движение связанных состояний.

<h3>Что будут изучать дальше</h3>

Новая экспериментальная система может помочь исследовать квантовую когерентность, нелинейную динамику и процессы, связанные с установлением равновесия в многочастичных системах.

Особенно важно, что параметры ультрахолодного газа можно точно настраивать. Это дает возможность напрямую проверять теоретические модели, которые раньше существовали преимущественно в виде математических расчетов.

Практическое применение нитей Бете пока не является главной целью работы. Значение открытия прежде всего фундаментальное: состояние, предсказанное еще в 1931 году, теперь можно создавать, контролировать и подробно исследовать в лаборатории.

Почти век спустя математическая идея Ганса Бете превратилась в реальный экспериментальный инструмент для изучения одного из самых сложных разделов современной квантовой физики.