Fast ein Jahrhundert, nachdem der Physiker Hans Bethe sie auf dem Papier beschrieb, sind ungewöhnliche Quantenstrukturen namens Bethe-Strings in einem ultrakalten Gas erzeugt und direkt beobachtet worden.
1931 postulierte Bethe, dass Teilchen in bestimmten eindimensionalen Quantensystemen zu kollektiven Zuständen verschmelzen können. Anders als Moleküle sind sie nicht durch chemische Bindungen verbunden: Sie bleiben aufgrund ihrer Wechselwirkung zusammen, und solche Zustände können nur in einer Dimension existieren. Bethe-Strings waren zuvor in magnetischen Festkörpersystemen nachgewiesen worden; die neue Arbeit bringt sie in eine weit besser kontrollierbare Umgebung.
Das Team um Hanns-Christoph Nägerl von der Universität Innsbruck, mit Theoriegruppen der Universität Amsterdam und der Technischen Universität München, kühlte eine Cäsium-Atomwolke auf milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt und teilte sie in mehrere tausend sehr enge Röhren. In jeder Röhre können sich die Atome im Wesentlichen nur in eine Richtung bewegen – die nötige eindimensionale Geometrie – und die Stärke ihrer Wechselwirkung ist einstellbar.
Indem die Forscher die Wechselwirkung von abstoßend auf anziehend umschalteten, banden sich die Atome zu Clustern unterschiedlicher Größe, einige mit sechs oder mehr Teilchen. Um zu belegen, dass sie wirklich gebunden waren, ließen sie die Strings expandieren: Noch in ihre Röhren eingesperrt, stießen die Cluster zusammen und kollidierten, ohne auseinanderzufallen – eine bemerkenswerte Eigenschaft, wie die Autoren betonen. Wurde die Einsperrung aufgehoben und konnten sich die Atome in drei Dimensionen ausbreiten, zerfielen die Strings und wandelten ihre Bindungsenergie in Bewegung um. Der Vergleich beider Expansionen lieferte eine klare Signatur: Nur bei gebundenen Zuständen trug die dreidimensionale Expansion zusätzliche Energie.
Die in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse geben der Physik eine einstellbare Plattform, um Quanten-Vielteilchenzustände zu untersuchen, die lange vor allem als schöne Mathematik existierten.
