Près d'un siècle après que le physicien Hans Bethe a prédit une forme inhabituelle de comportement quantique, des scientifiques sont enfin parvenus à la recréer dans un gaz d'atomes ultrafroids. Cette avancée offre un nouveau moyen d'étudier comment les particules interagissent dans des conditions extraordinaires.

Des chercheurs de l'université d'Innsbruck, en Autriche, ont créé et observé des structures appelées « cordes de Bethe », dans lesquelles des groupes d'atomes restent liés sans liaisons chimiques classiques. Publiée en octobre 2026 dans Nature Communications, cette découverte fournit une puissante plateforme expérimentale pour explorer la physique quantique et comprendre le comportement des systèmes complexes.

<h3>Une prédiction qui remonte à 1931</h3>

En 1931, le physicien allemand Hans Bethe a établi une description mathématique de particules en interaction dans certains systèmes quantiques à une dimension.

Ses calculs prédisaient que ces particules pouvaient former des états liés collectifs, aujourd'hui appelés cordes de Bethe. Contrairement aux molécules ordinaires, maintenues par des liaisons chimiques, ces structures naissent des interactions quantiques entre particules confinées dans une seule dimension.

Si des indices de cordes de Bethe avaient déjà été détectés dans des matériaux magnétiques, les créer et les étudier directement dans un gaz contrôlable restait un défi expérimental majeur. Ces travaux font entrer cette prédiction théorique de longue date dans un laboratoire où les particules peuvent être manipulées avec une précision remarquable.

<h3>Comment les scientifiques ont créé ces cordes quantiques</h3>

L'équipe, dirigée par le physicien quantique Hanns-Christoph Nägerl, est partie d'un nuage d'atomes de césium refroidi à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. À des températures aussi basses, les atomes se déplacent assez lentement pour que l'on puisse étudier leur comportement quantique. Les scientifiques ont ensuite divisé le nuage en milliers de tubes extrêmement étroits, limitant le mouvement des atomes à une seule direction.

Ce dispositif a créé les conditions unidimensionnelles nécessaires à la formation des cordes de Bethe. En faisant passer avec précision les interactions entre atomes de répulsives à attractives, les chercheurs les ont amenés à s'assembler en amas liés. Certaines structures comptaient six atomes ou plus, preuve que des groupes relativement grands peuvent rester connectés par des interactions quantiques.

<h3>Pourquoi ces amas d'atomes sont remarquables</h3>

L'une des propriétés les plus surprenantes des cordes de Bethe est leur capacité à survivre aux collisions. Pour l'étudier, les chercheurs ont laissé les amas se propager dans leurs tubes étroits. En se déplaçant, ils se sont rencontrés et sont entrés en collision. Et, fait remarquable, ils sont restés intacts.

La chercheuse principale Milena Horvath explique que cette stabilité inhabituelle compte parmi les observations les plus frappantes de l'expérience. Le résultat montre à quel point les systèmes quantiques peuvent se comporter différemment des objets familiers, que les collisions peuvent briser.

<h3>Que s'est-il passé quand les atomes ont été libérés ?</h3>

Les scientifiques ont mené une autre expérience pour confirmer que les particules avaient bien formé des états liés. Cette fois, ils ont supprimé le confinement unidimensionnel et laissé les atomes se répandre librement dans l'espace en trois dimensions. Les cordes de Bethe dépendant de cette géométrie restreinte, elles se sont défaites une fois libérées.

L'énergie auparavant associée à leur liaison s'est convertie en mouvement supplémentaire, faisant se disperser les atomes plus vite. En comparant l'expansion en une dimension et en trois dimensions, les chercheurs ont identifié l'énergie supplémentaire associée aux amas liés : une preuve expérimentale convaincante de la formation des cordes de Bethe.

<h3>Pourquoi cette découverte compte pour la physique</h3>

Cette avancée offre aux scientifiques un système très contrôlable pour étudier la physique quantique à N corps, qui s'intéresse au comportement collectif de grands groupes de particules en interaction. Le chercheur Sudipta Dhar explique que l'expérience permet de créer, manipuler et faire entrer en collision des structures longtemps comprises surtout grâce à des modèles mathématiques.

Les travaux ont été menés en collaboration avec des physiciens théoriciens de l'université d'Amsterdam et de l'université technique de Munich. Selon le théoricien principal Alvise Bastianello, ces résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour étudier la formation et les interactions des structures quantiques collectives.

<h3>Quelles découvertes pour la suite ?</h3>

Les chercheurs peuvent désormais étudier le comportement des cordes de Bethe selon la densité des particules, la force des interactions et les conditions expérimentales. Ces travaux pourraient améliorer la compréhension des systèmes quantiques complexes et tester des prédictions jusqu'ici difficiles à vérifier. Si les applications technologiques restent incertaines, la découverte représente une avancée importante pour la physique fondamentale.

Près de 95 ans après la première description de ces états inhabituels par Bethe, les scientifiques peuvent enfin les créer, observer leur comportement et étudier leur remarquable stabilité dans un laboratoire soigneusement contrôlé.