Ученые впервые наблюдали "квантовый дождь"

Законы квантового мира могут казаться нам странными и непохожими на все, что мы видим в повседневной жизни. Однако время от времени эксперименты обнаруживают явления, которые выглядят и чужеродными, и в то же время удивительно знакомыми.

Впервые ученые увидели, как в вырожденной, ультрахолодной жидкости из изотопов калия и рубидия капли распадаются на своего рода “квантовый дождь”. Это открытие соединяет классический мир гидродинамики (науки о движении жидкостей) с удивительным и тонким миром атомных газов.

Команда исследователей из Испании и Италии проанализировала свойства распадающегося на части атомного газа. Их работа расширяет наше понимание поведения квантовых жидкостей и может помочь научиться лучше управлять их свойствами.

«Наши измерения не только углубляют понимание этой экзотической жидкой фазы, но и демонстрируют возможность создания массивов (упорядоченных структур) квантовых капель для будущих применений в квантовых технологиях», — говорит Лука Кавиккьоли, первый автор исследования и физик конденсированного состояния из Национального института оптики Италии.

От капель на стекле до квантовых флуктуаций

Наблюдать, как во время дождя капли воды стекают по оконному стеклу — это настоящая поэзия, написанная на языке физики. Каждая капля-сфера удерживается невидимой пленкой поверхностного натяжения. Они сливаются, дробятся и снова соединяются, пока гравитация тянет их вниз по стеклу прерывистыми зигзагами.

квантовый дождь — Численное моделирование распада квантовой капли.

Эти движения — во многом результат “перетягивания каната” между молекулярными силами, известного как неустойчивость Рэлея-Плато. Небольшой дисбаланс зарядов между атомами водорода и кислорода в молекулах воды создает так называемый дипольный эффект (положительный и отрицательный полюса). Эти диполи взаимодействуют (отталкиваются и притягиваются) с зарядами в самой воде и в стекле. В результате крупные капли дробятся на мелкие, а мелкие сливаются в более крупные, стремясь минимизировать площадь своей поверхности.

Квантовый мир без четких границ

Но если в молекулах воды атомы кислорода и водорода — это отдельные системы электронов и ядер, то в ультрахолодном газе атомы теряют свою индивидуальность. Здесь главенствуют законы квантовой механики, “размазывая” множество бозонов (один из типов элементарных частиц) в единое облако, где само понятие точечной частицы больше не имеет смысла.

Однако это не означает отсутствия “конкурирующих интересов” внутри атомного газа. В отличие от общего усреднения энергии по всему облаку, существуют квантовые флуктуации — небольшие случайные отклонения от наиболее вероятного состояния. Эти флуктуации создают слабое отталкивание между частицами, описываемое так называемой коррекцией Ли-Хуан-Яна.

Именно это внутреннее “напряжение” может приводить к тому, что атомные газы на короткое время распадаются на мелкие капельки. Их размер и форма зависят от типа бозонов и квантовых состояний частиц в газе.

Эксперимент: как поймать квантовый дождь

Квантовые капли уже наблюдались и изучались ранее, хотя их чрезвычайно короткое время существования затрудняло исследование. Авторы нового эксперимента оттолкнулись от наблюдений квантовых капель калия-41 и рубидия-87, которые могли существовать в ультрахолодном состоянии десятки миллисекунд. Это дало им возможность для дальнейших экспериментов.

Поместив квантовую жидкость в специальный узкий канал (волновод), который ограничивал ее волновые свойства, ученые обнаружили формирование множества капель — настоящий “дождь”. Форма этих фрагментов зависела от того, находились ли частицы в основном (самом низком) энергетическом состоянии, а их размер (длина) определялся флуктуациями (колебаниями) числа атомов в них.

Динамика распада капель, наблюдавшаяся в эксперименте, совпала с теоретическими предсказаниями. Это дало исследователям эмпирическое подтверждение их моделей и новые инструменты для лучшего понимания того, как квантовые эффекты могут быть похожи на явления из нашего повседневного мира.

«Объединив эксперименты с численным моделированием, мы смогли описать динамику распада квантовой капли в терминах капиллярной неустойчивости (неустойчивости, связанной с поверхностным натяжением)», — говорит Кьяра Форт, физик из Флорентийского университета.

Она добавляет: «Неустойчивость Рэлея-Плато — это обычное явление для классических жидкостей, которое также наблюдалось в сверхтекучем гелии, но до сих пор не было зафиксировано в атомных газах».

Этот эксперимент не только показывает красоту физики на стыке классического и квантового миров, но и открывает новые пути для изучения и использования экзотических состояний материи.

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.

Мы на Дзен