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Bethe-Strings nach fast 100 Jahren in ultrakalten Atomen beobachtet
In einem ultrakalten Cäsiumgas haben Physiker ungewöhnliche gebundene Vielteilchenzustände erzeugt, die als Bethe-Strings bezeichnet werden. Messungen der Bindungsenergie zeigen, dass darunter Zustände mit mehr als sechs Atomen sind. Die Experimente eröffnen damit einen kontrollierbaren Zugang zu Quantenobjekten, deren Eigenschaften bisher vor allem theoretisch beschrieben oder in Festkörpersystemen untersucht wurden.
Innsbruck (Österreich). Bethe-Strings entstehen in bestimmten eindimensionalen Quantensystemen, wenn anziehend wechselwirkende Teilchen stabile gebundene Zustände bilden, und wurden bereits 1931 von Hans Bethe im Rahmen seiner Beschreibung quantenmechanischer Vielteilchensysteme vorhergesagt.
In magnetischen Festkörpern wurden kleine Bethe-Strings bereits experimentell beobachtet, doch für stark wechselwirkende ultrakalte Bose-Gase blieb es schwierig, Gemische aus vielen Bethe-Strings unterschiedlicher Größe gezielt zu erzeugen und ihre Eigenschaften zu messen.
Forscher der Universität Innsbruck (UIBK) um Prof. Hanns-Christoph Nägerl haben nun ein Bose-Einstein-Kondensat aus Cäsiumatomen in mehrere Tausend voneinander getrennte eindimensionale Röhren geladen, in denen sich die Atome im Wesentlichen nur entlang einer Richtung bewegen konnten. Das Team stellte anschließend die Wechselwirkung mit kontrollierter Geschwindigkeit von abstoßend auf anziehend um und erzeugte dadurch einen Zustand weit außerhalb des Gleichgewichts.
Die nahezu eindimensionale Geometrie verhindert, dass das anziehende Gas sofort in einen dichten Cluster kollabiert, sodass stattdessen Bethe-Strings unterschiedlicher Größe entstehen, deren Stabilität auf der annähernden Integrierbarkeit des Systems beruht. Die Forscher verglichen ihre Messdaten außerdem mit Berechnungen der generalisierten Hydrodynamik, die das Verhalten solcher integrierbaren Vielteilchensysteme beschreibt.
Den wichtigsten Nachweis lieferte ein zweistufiges Expansionsexperiment, bei dem sich das Gas zunächst nur entlang der eindimensionalen Röhren ausdehnen durfte und die Atome danach frei in drei Dimensionen expandierten. In einer Dimension bleiben die gebundenen Zustände erhalten, während sie beim Übergang in drei Dimensionen auseinanderbrechen und ihre Bindungsenergie in Bewegungsenergie umwandeln.
Bei abstoßender Wechselwirkung waren die gemessenen Energien beider Expansionswege innerhalb der Unsicherheit gleich, während die Energie nach der dreidimensionalen Freisetzung auf der anziehenden Seite deutlich anstieg. Aus dieser Differenz folgern die Autoren, dass das Gas Bethe-Strings mit mehr als sechs gebundenen Teilchen enthält. Zusätzliche Hinweise liefern die Impulsverteilung und Tan-Kontakt, ein Maß für kurzreichweitige Teilchenkorrelationen.
„Das ist eine bemerkenswerte Eigenschaft der Strings: Sie können kollidieren, ohne auseinanderzubrechen“, sagt Milena Horvath von der Universität Innsbruck (UIBK).
Die Messungen zeigen zugleich, dass die Bethe-Strings nicht einfach als gewöhnliche Moleküle zu verstehen sind, weil ihre Bindung aus den Wechselwirkungen im eindimensionalen Quantensystem entsteht und deshalb unmittelbar von dessen Geometrie abhängt. Wird die starke seitliche Einengung aufgehoben, verlieren die gebundenen Zustände ihre Grundlage.
„Jetzt können wir sie im Labor erzeugen, manipulieren, zur Kollision bringen und ihre bemerkenswerte Kollisionsstabilität untersuchen“, sagt Sudipta Dhar von der Universität Innsbruck (UIBK).