Im Labor der Universität Innsbruck bildeten Cäsiumatome, die auf wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt waren, plötzlich ungewöhnliche gebundene Zustände – Bethe-Strings. Diese Quantencluster, die Hans Bethe bereits im Jahr 1931 vorhergesagt hatte, existierten fast ein Jahrhundert lang nur auf dem Papier und in indirekten Beobachtungen in magnetischen Materialien.
Unter der Leitung von Hanns-Christoph Nägerl teilten die Wissenschaftler eine Atomwolke in Tausende schmale eindimensionale Röhren auf. Innerhalb jeder Röhre konnten sich die Atome nur entlang einer einzigen Linie bewegen. Anschließend änderten die Forscher die Wechselwirkung zwischen den Atomen allmählich – von abstoßend zu anziehend. Statt des erwarteten Kollapses des Gases entstanden gebundene Gruppen von Teilchen unterschiedlicher Größe, darunter Cluster aus sechs und mehr Atomen.
Anders als bei gewöhnlichen Molekülen, in denen die Teilchen durch chemische Bindungen zusammengehalten werden, entstehen Bethe-Strings ausschließlich aus quantenmechanischen Wechselwirkungen und existieren nur in einer Dimension. Ihre Stabilität wurde auf zwei Arten überprüft: In den eindimensionalen Röhren blieben die Cluster selbst bei Zusammenstößen erhalten, während sie sich auflösten und die Bindungsenergie freisetzten, sobald die Einschränkung aufgehoben und in den dreidimensionalen Raum expandiert wurde.
Messungen der Bindungsenergie, der Impulsverteilung und des Tan-Kontakts bestätigten die Anwesenheit großer Strings. Die Ergebnisse stimmten genau mit den Vorhersagen der verallgemeinerten Hydrodynamik überein. Das Experiment zeigte, dass sich in einer kontrollierten Umgebung aus ultrakaltem Gas komplexe Quantenzustände erzeugen und untersuchen lassen, die in anderen Systemen nicht zugänglich sind.
Die Entdeckung ebnet den Weg zur Erforschung von Quantenkohärenz, nichtlinearer Dynamik und Thermalisierung in stark wechselwirkenden eindimensionalen Systemen. Nun werden Physiker diese Zustände manipulieren, zur Kollision bringen und ihre Stabilität unter Laborbedingungen überprüfen können.
