Наскільки б дивними й унікальними не здавалися закони квантової сфери в нашому повсякденному досвіді, настільки ж час від часу експерименти дозволяють побачити явища, які здаються одночасно і чужими, і водночас дуже знайомими.
Вперше було помічено, як краплі розпадаються на «квантовий дощ» у виродженій, ультрахолодній рідині ізотопів калію та рубідію, поєднуючи класичний світ динаміки рідини з ефірним ландшафтом атомарних газів.
Група дослідників з Іспанії та Італії у дослідженні, що було опубліковане в журналі Physical Review Letters, проаналізувала властивості фрагментованого атомарного газу, розширивши сучасне розуміння того, як поводяться квантові рідини, способами, які можуть допомогти нам краще керувати їхньою активністю.
«Наші вимірювання не лише розширюють розуміння цієї екзотичної рідкої фази, а й демонструють можливість створення масивів квантових крапель для майбутніх додатків у квантових технологіях», — каже Лука Кавіккіолі, головний автор дослідження та фізик конденсованого стану з Національного інституту оптики Італії.
Спостерігати, як шторм обвалює каскади крапель води на шибку, — це поезія, написана в нотатках фізики. Кожна рідка сфера пов'язана оболонкою поверхневого натягу, зливаючись, розділяючись і знову зливаючись, коли гравітація тягне їх зигзагоподібно вниз склом ривками.
Ці рухи значною мірою є результатом перетягування каната між молекулярними силами в тому, що відомо як нестійкість Плато-Релея.
Тонкий дисбаланс у зарядах, розподілених по атомах водню і кисню води, створює дипольний ефект, штовхаючи й притягуючи заряди у воді та склі, щоб розділити більші краплі на дрібніші, або об'єднати дрібніші в товсті, вологі кульки, які підтримують площу поверхні на абсолютному мінімумі.
У той час як атоми кисню та водню в молекулах води є окремими системами електронів та ядерних частинок, атоми в ультрахолодному газі втрачають будь-яке почуття ідентичності. Квантові ймовірності домінують, розмазуючи бозони, що рояться, в єдину хмару, де концепція точкової частинки більше не має сенсу.
Проте це не означає, що в атомарному газі немає конкурентних інтересів. На відміну від усереднення енергії по хмарі, існують флуктуації в рішеннях потенційного компонування хмари, створюючи поштовх, що відштовхує в тому, що відомо як поправка Лі-Хуан-Яна.
Ця напруга також може змусити атомарні гази короткочасно мерехтіти у дрібніші краплі, які різняться за розміром та формою залежно від станів бозонів та частинок, що становлять газ.
Квантові краплі були помічені й вивчені раніше, хоча їхнє короткочасне існування ускладнювало їх вивчення.
Дослідники, які стоять за цим новим експериментом, почали зі спостережень за квантовими краплями, що зберігаються протягом десятків мілісекунд у надхолодних хмарах калію-41 та рубідію-87, що дало їм потенційну відправну точку для експериментів.
Випускаючи квантову рідину в канал, який називається хвилеводом, який обмежував хвилеподібну природу суміші, вони виявили, що утворюється безліч крапель — справжній «дощ» активності.
Форми, що приймали фрагменти, залежали від їх обмеження в основному стані енергії, а їх довжини визначалися змінами атомів.
Динаміка результатів експерименту була передбачена теорією, що дало дослідникам емпіричну основу нових інструментів, які могли б допомогти їм краще зрозуміти, як квантові ефекти відбивають явища у нашому повсякденному житті.
"Об'єднавши експерименти з чисельним моделюванням, ми змогли описати динаміку розпаду квантової краплі в термінах капілярної нестабільності", - говорить фізик з Університету Флоренції Кьяра Форт.
"Нестійкість Плато-Релея - поширене явище в класичних рідинах, також спостерігалося в надплинному гелії, але до цього часу не в атомарних газах".
