Descoperire istorică a fizicienilor: Un experiment uimitor a dezvăluit „ploaia cuantică” în premieră mondială

Oricât de ciudate și unice ar părea legile domeniului cuantic în experiența noastră de zi cu zi, din când în când, experimentele fizicienilor surprind fenomene care par în același timp străine și totuși straniu de familiare. În premieră istorică, au fost observate picături care se sparg într-o „ploaie cuantică” într-un lichid degenerat și ultrafrigid de izotopi de potasiu și rubidiu, creând o punte între lumea clasică a dinamicii fluidelor și peisajul eteric al gazelor atomice, potrivit Science Alert.

O echipă de cercetători din Spania și Italia a analizat proprietățile fragmentării gazelor atomice, extinzând înțelegerea actuală a modului în care se comportă lichidele cuantice în moduri care ne-ar putea ajuta să le manipulăm mai bine activitatea.

„Măsurătorile noastre nu numai că avansează în înțelegerea acestei faze lichide exotice, dar demonstrează, de asemenea, posibilitatea de a crea rețele de picături cuantice pentru aplicații viitoare în tehnologiile cuantice”, spune Luca Cavicchioli, primul autor al studiului și fizician al materiei condensate de la Institutul Național de Optică din Italia.

Cum se explică ploaia, din perspectiva fizicii

Observarea unei furtuni care trimite ploi de picături de apă în cascadă pe geamul unei ferestre este o poezie scrisă în note de fizică. Fiecare sferă lichidă este legată de un strat de tensiune superficială, fuzionând, despărțindu-se și fuzionând din nou, în timp ce gravitația le trage în zig-zag pe geam, din loc în loc.

Aceste mișcări sunt în mare parte rezultatul unei lupte între forțele moleculare în ceea ce este cunoscut sub numele de instabilitatea Plateau-Rayleigh.

Un dezechilibru subtil al sarcinilor răspândite între atomii de hidrogen și oxigen din apă creează un efect de dipol, care împinge și trage de sarcinile din apă și sticlă, fie pentru a împărți picăturile mai mari în altele mai mici, fie pentru a agrega picăturile mai mici în perle grase și umede care mențin suprafața la un minim absolut.

În timp ce atomii de oxigen și hidrogen din moleculele de apă sunt sisteme distincte de electroni și particule nucleare, atomii dintr-un gaz ultrafrigid își pierd orice sentiment de identitate. Probabilitățile cuantice domină, amestecând bosonii într-un singur nor în care conceptul de particulă punctiformă nu mai are sens.

Ce este „ploaia cuantică”

Cu toate acestea, nu înseamnă că nu există interese concurente în cadrul gazului atomic. Spre deosebire de distribuția medie a energiei în nor, există fluctuații în soluțiile la configurația potențială a norului, creând un impuls de respingere în ceea ce se numește corecția Lee-Huang-Yang.

Această tensiune poate determina, de asemenea, gazele atomice să pâlpâie pentru scurt timp în picături mai mici, care variază ca mărime și formă în funcție de bosonii și stările particulelor care alcătuiesc gazul.

Picăturile cuantice au mai fost observate și studiate, deși existența lor scurtă le-a făcut greu de studiat.

Cercetătorii care au realizat acest nou experiment au pornit de la observații ale picăturilor cuantice care persistă timp de zeci de milisecunde în nori ultrafrizi de potasiu-41 și rubidiu-87, ceea ce le-a oferit un potențial punct de plecare pentru modificări.

Eliberând lichidul cuantic într-un canal numit ghid de undă care constrânge natura ondulatorie a amestecului, ei au descoperit că se formează picături multiple - o adevărată „ploaie” de activitate.

„Am reușit să descriem dinamica ruperii unei picături cuantice”

Formele pe care le iau fragmentele depind de confinarea lor într-o stare de energie de bază, lungimea lor fiind determinată de variațiile numărului de atomi.

Dinamica rezultatelor experimentului a fost prezisă de teorie, oferind cercetătorilor o bază empirică pentru noi instrumente care i-ar putea ajuta să înțeleagă mai bine modul în care efectele cuantice reflectă fenomenele din viața noastră de zi cu zi.

„Combinând experimentele cu simulările numerice, am reușit să descriem dinamica ruperii unei picături cuantice în termeni de instabilitate capilară”, spune fizicianul Chiara Fort de la Universitatea din Florența. „Instabilitatea Plateau-Rayleigh este un fenomen comun în lichidele clasice, observat și în heliul superfluid, dar nu încă în gazele atomice”.

Această cercetare a fost publicată în Physical Review Letters.