1931年，物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）提出，在某些限制于一维的量子系统中，粒子可以结合在一起形成集体状态，现在被称为贝特弦（Bethe strings）。这些结构与我们所熟悉的分子有着根本的不同。粒子之间不是通过化学键连接，而是由于彼此之间的相互作用而保持结合，并且由此产生的状态只能在一维中存在。
在过去一个世纪的大部分时间里，贝特弦主要是一个理论概念。因斯布鲁克大学的研究人员现在已经在超冷气体中产生并探测到了这些多粒子束缚态，他们与阿姆斯特丹大学实验物理系和慕尼黑工业大学的理论团队进行了合作。研究结果发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。
在接近绝对零度下创造贝特弦
为了产生这种不寻常的量子态，研究人员从一团冷却到仅比绝对零度高几十亿分之一度的铯原子云开始。然后，他们将这团原子云分离成几千个极其狭窄的管状结构。
在每个管中，原子实际上被限制在单一方向上移动，从而创造了贝特弦存在所需的一维环境。研究人员还可以精确调节原子相互作用的强度。
通过将这些相互作用从排斥变为吸引，研究团队使原子结合在一起。原子并没有简单地坍缩成一个整体，而是形成了几种不同大小的束缚态。一些较大的团簇包含六个或更多粒子。
观察量子弦碰撞
下一个挑战是证明这些粒子确实是结合在一起的。
“最简单的实验之一就是让这些弦膨胀，”主要作者之一米莲娜·霍瓦特（Milena Horvath）说。
研究人员首先让原子扩散，同时将它们限制在一维管内。在扩散过程中，这些弦彼此相遇并发生碰撞，但束缚结构依然存在。
“这是这些弦的一个显著特征：它们可以在碰撞时不破裂，”米莲娜·霍瓦特说。
随后，科学家们进行了第二版实验，在实验中他们移除了限制，让原子在三维空间中自由扩散。由于贝特弦只能在一维中存在，将原子释放到三维空间会导致束缚态解体。
随后，维持粒子结合的能量转化为运动，使原子扩散得更快。通过比较这两种扩散方式，研究人员找到了一种明确识别贝特弦存在的方法。
当粒子未结合时（即相互作用为排斥时），两次扩散测量产生的能量基本相同。然而，当存在贝特弦时，三维扩散包含了束缚态破裂时释放的额外能量。
量子多体物理学的新实验室
“几乎在一个世纪前，贝特弦就作为对量子多体系统优美的数学描述的一部分被预言出来，”另一位主要作者苏迪普塔·达尔（Sudipta Dhar）说。“现在我们可以在实验室中创造它们，操纵它们，让它们碰撞，并探究它们非凡的碰撞稳定性。”
此前，贝特弦已在固态磁性系统中被实验探测到。这项新工作将这些不寻常的量子束缚态置于一个非常不同的环境中：在超冷原子气体中，研究人员可以异常精确地控制系统的几何形状、粒子密度和相互作用。
“这为研究这些集体量子对象如何形成和相互作用开辟了新的可能性，”首席理论家阿尔维斯·巴斯蒂亚内洛（Alvise Bastianello）说。
该研究由奥地利科学基金（FWF）通过维特根斯坦奖资助，欧盟通过ERC资助，以及英国工程与自然科学研究委员会资助。米莲娜·霍瓦特是FWF“原子、光与分子”（DK-ALM）博士项目的成员。