Deutsch · 12. Oktober 2026

Wissenschaftler beobachten Bethe-Strings in ultrakaltem Gas und bestätigen Vorhersage von 1931

Forscher an der University of Innsbruck haben Bethe-Strings in einem ultrakalten Gas erzeugt und beobachtet, womit eine Quantenvorhersage von Hans Bethe aus dem Jahr 1931 bestätigt wurde.

Von Hermes-Vector AI Desk · Read in English

Illustration: Wissenschaftler beobachten Bethe-Strings in ultrakaltem Gas und bestätigen Vorhersage von 1931

Kurz gesagt

Wissenschaftler an der University of Innsbruck erzeugten und beobachteten Bethe-Strings in einem ultrakalten Gas aus Cäsium-Atomen.
Das Experiment bestätigte eine Quantenvorhersage von Hans Bethe aus dem Jahr 1931 bezüglich eindimensionaler Teilchensysteme.
Bethe-Strings sind gebundene Zustände, die Kollisionen in einer Dimension überstehen, aber zerfallen, wenn sie in drei Dimensionen freigesetzt werden.
Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht und unter Beteiligung von Theorie-Teams der University of Amsterdam und der Technical University of Munich durchgeführt.

Fast ein Jahrhundert nachdem der Physiker Hans Bethe deren Existenz vorhersagte, haben Wissenschaftler unter Verwendung ultrakalter Atome ungewöhnliche Quantenstrukturen, bekannt als "Bethe-Strings", erzeugt und direkt beobachtet. Das Experiment unter der Leitung des Quantenphysikers Hanns-Christoph Nägerl an der University of Innsbruck bietet Forschern eine hochsteuerbare Möglichkeit, diese ungewöhnlichen Quantenvielteilchenzustände zu untersuchen. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.

Erzeugung gebundener Zustände in einer Dimension

Im Jahr 1931 schlug Hans Bethe vor, dass Teilchen in bestimmten Quantensystemen, die auf eine Dimension beschränkt sind, zu kollektiven Zuständen verschmelzen könnten, die heute als Bethe-Strings bezeichnet werden. Diese Strukturen unterscheiden sich grundlegend von bekannten Molekülen. Anstatt durch chemische Bindungen verbunden zu sein, bleiben die Teilchen aufgrund ihrer Wechselwirkungen untereinander gebunden, und die resultierenden Zustände können nur in einer Dimension existieren.

Um diese Zustände zu erzeugen, begannen die Forscher mit einer Wolke aus Cäsium-Atomen, die auf nur wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt worden war. Anschließend trennten sie die Wolke in mehrere tausend extrem schmale Röhren. Innerhalb jeder Röhre sind die Atome effektiv darauf beschränkt, sich in nur eine Richtung zu bewegen, wodurch die für die Existenz von Bethe-Strings erforderliche eindimensionale Umgebung geschaffen wird.

Durch die Änderung der Wechselwirkungen zwischen den Atomen von abstoßend zu anziehend veranlasste das Team die Atome, sich zu binden. Anstatt einfach in einer Gruppe zu kollabieren, bildeten die Atome gebundene Zustände verschiedener Größen. Einige der größeren Cluster enthielten 6 oder mehr Teilchen.

Test der Stabilität durch Kollisionen

Um zu demonstrieren, dass diese Teilchen tatsächlich aneinander gebunden waren, führten die Forscher zwei Versionen eines Expansionsexperiments durch. In der ersten Version ließen sie die Atome expandieren, während sie in ihren eindimensionalen Röhren gefangen blieben. Während dieser Expansion stießen die Strings aufeinander und kollidierten, doch die gebundenen Strukturen überlebten.

"Dies ist ein bemerkenswertes Merkmal der Strings: Sie können kollidieren, ohne zu zerbrechen", sagt Milena Horvath, eine der Hauptautorinnen.

In der zweiten Version entfernten die Wissenschaftler die Beschränkung und ließen die Atome frei im dreidimensionalen Raum expandieren. Da Bethe-Strings nur in einer Dimension existieren können, führte die Freisetzung der Atome in drei Dimensionen dazu, dass die gebundenen Zustände zerfielen. Die Energie, die die Teilchen gebunden hatte, wurde dann in Bewegung umgewandelt, wodurch die Atome schneller auseinanderdrifteten.

Wenn die Teilchen nicht gebunden waren, wie es der Fall war, wenn die Wechselwirkungen abstoßend waren, ergaben beide Expansionsmessungen im Wesentlichen die gleiche Energie. Wenn jedoch Bethe-Strings vorhanden waren, enthielt die dreidimensionale Expansion zusätzliche Energie, die beim Zerfall der gebundenen Zustände freigesetzt wurde. Dieser Vergleich bot einen klaren Weg, um das Vorhandensein von Bethe-Strings zu identifizieren.

Ein neues Labor für die Quantenphysik

Bethe-Strings wurden zuvor experimentell in magnetischen Festkörpersystemen nachgewiesen. Die neue Arbeit platziert diese ungewöhnlichen quantengebundenen Zustände in eine sehr andere Umgebung: ein ultrakaltes atomares Gas, in dem Forscher die Geometrie des Systems, die Teilchendichte und die Wechselwirkungen mit außergewöhnlicher Präzision steuern können.

"Bethe-Strings wurden vor fast einem Jahrhundert als Teil einer schönen mathematischen Beschreibung von Quantenvielteilchensystemen vorhergesagt", sagt Sudipta Dhar, ein weiterer Hauptautor. "Jetzt können wir sie im Labor erzeugen, manipulieren, sie kollidieren lassen und ihre bemerkenswerte Kollisionsstabilität untersuchen."

Der leitende Theoretiker Alvise Bastianello merkt an, dass diese Umgebung "neue Möglichkeiten eröffnet, um zu untersuchen, wie diese kollektiven Quantenobjekte entstehen und interagieren."

Warum es wichtig ist

Die direkte Beobachtung von Bethe-Strings in einem steuerbaren ultrakalten Gas validiert eine theoretische Vorhersage aus dem Jahr 1931 und bietet eine neue Plattform für die Untersuchung der Quantenvielteilchenphysik. Im Gegensatz zu Festkörpersystemen ermöglicht das ultrakalte atomare Gas eine präzise Manipulation der Teilchenwechselwirkungen und der Geometrie, sodass Wissenschaftler die Bildung und Stabilität dieser einzigartigen Quantenzustände auf eine Weise untersuchen können, die zuvor nicht möglich war.

Quellen (auf Englisch)

KI-Übersetzung des englischen Originalartikels, automatisch geprüft, damit sie dasselbe aussagt wie das Original. Die Quellen wurden auf Englisch geprüft.