超冷原子气体中观测到贝特弦

驱动中国9月26日消息，奥地利因斯布鲁克大学研究团队在超冷铯原子气体中实验观测到“Bethe strings（贝特弦）”，验证了物理学家汉斯·贝特于1931年提出的一项量子理论预测。

贝特弦是仅能存在于一维量子系统中的多粒子束缚态。与普通分子依靠化学键形成不同，这类束缚态完全由粒子间的量子相互作用维系，因此长期被视为量子多体理论的重要预测之一。过去数十年间，贝特弦主要停留在理论层面，此后实验人员曾在固态磁性系统中探测到它们。此次研究在超冷气体中创建并观测到贝特弦，该环境允许研究人员调节束缚集团形成与相互作用的条件。

该研究由因斯布鲁克大学实验团队与阿姆斯特丹大学、慕尼黑工业大学理论团队合作完成，相关成果已发表于《Nature Communications》。论文第一作者之一苏迪普塔·达尔表示，贝特弦在近一个世纪前作为量子多体系统数学描述的一部分被预言，如今可以在实验室中创建、操控、令其碰撞，并探测其碰撞稳定性。

为营造贝特弦所需的一维条件，团队将冷却到绝对零度以上十亿分之几度的铯原子云分配到数千根细管中，绝对零度约合零下273.15摄氏度。每根细管把原子运动基本限制在沿管长的一个方向。随后，研究人员把原子间相互作用从排斥切换为吸引。原子并未直接塌缩，而是形成大小不一的束缚集团，其中包括含六个或更多粒子的团簇。

除相互作用外，该气体实验还能精确控制系统几何构型与粒子密度。理论负责人阿尔维塞·巴斯蒂亚内洛称，这为研究这些集体量子物体如何形成与相互作用提供了新的可能。

为确认原子确实结合成团，团队比较了原子被束缚在管中与解除束缚后的运动方式。另一名第一作者米莱娜·霍瓦特说，最简单的实验之一是让贝特弦膨胀。研究人员先让原子沿细管扩散，贝特弦在移动中彼此相遇，碰撞检验了这些集团相遇时能否保持完整。霍瓦特称，贝特弦的一个显著特点是碰撞时不会解体。

当研究人员解除束缚后，原子可在三维空间中自由运动，而贝特弦无法在三维中存在。束缚集团随之解体，将原本把粒子束缚在一起的能量转化为运动，使原子更快飞散。对于具有排斥相互作用的非束缚原子，沿管膨胀与三维膨胀的能量基本相同。而存在贝特弦时，三维膨胀携带了团簇解体释放的额外能量，成为粒子此前处于束缚状态的明确信号。