奥地利因斯布鲁克大学9月14日宣布，该校研究人员已在超冷原子气体中制造并观测到名为贝特弦的束缚团簇。研究提供了一种能够在受控条件下考察量子粒子集体行为的方法，并取得了存在由超过六个原子结合在一起所组成团簇的证据，说明研究所涉及的束缚状态也包括较大的原子群体。这项工作关注的是多个粒子相互作用后形成的整体行为，以及如何在实验室中对这种行为进行测量。
汉斯－克里斯托夫·内格尔（Hanns-Christoph Nägerl）领导的团队与阿姆斯特丹和慕尼黑的理论物理学家合作完成研究。经过同行评审的论文已于8月29日发表在《自然·通讯》（Nature Communications），大学今天发布的公告则介绍了相关实验，两者的发布日期并不相同。汉斯·贝特（Hans Bethe）在1931年预言了这类状态。此前，研究人员已经在具有量子特性的磁性体系以及利用超导性质构建的量子比特中观测到较小的贝特弦，这为理解此次实验的研究背景提供了依据。
据大学介绍，实验首先把铯原子冷却到仅比绝对零度高出十亿分之几度的温度，再将这些原子分配到数千条狭窄的管状空间中。这样的限制使原子基本只能沿一个方向运动，形成实验所需的一维环境。随后，研究人员把原子之间的相互作用从排斥调节为吸引，从而产生由不同大小的束缚团簇组成的混合体系，也就是让多种规模的团簇同时存在于同一实验中。
为了识别贝特弦，团队比较了两种不同条件下的膨胀过程。在管状空间内，团簇即使相互碰撞也能保持完整。当研究人员撤去限制、让气体在三维空间中自由膨胀时，束缚态便会解体，气体的膨胀速度也会加快。团队利用这一差别探测把多个原子维系在同一束缚团簇内的结合能，并将两种测量结果进行比较。对于没有相互结合的原子，两种情况下测得的能量则基本相同，因此这一对照有助于判断束缚团簇是否存在。
论文还报告了原子动量分布以及坦接触量中的进一步证据，后者是一种与粒子关联有关的测量指标。实验测量与广义流体动力学这一描述此类体系的理论框架在数值上相符，也就是说，团队把实验获得的结果同这一理论框架的预测进行了定量对照。此次进展针对的是包含大量贝特弦、其中也有较大贝特弦的混合体系，因此拓展了此前针对较小单独贝特弦的观测范围。研究既比较了不同方式获得的证据，也考察了实验结果与理论预测之间的一致程度。
大学表示，这种气体使研究人员能够精确控制体系的空间几何形状、其中粒子的密度，以及粒子之间相互作用的条件，从而建立研究这些集体量子对象如何形成、如何碰撞的平台。论文作者指出，未来可借此探索量子相干性（quantum coherence）、非线性动力学（nonlinear dynamics）和热化过程（thermalization）。其中，热化指的是存在相互作用的体系逐渐接近热平衡的过程。能够调节上述实验条件，为进一步考察这些量子多体行为提供了研究机会。
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