Команда исследователей из Испании и Италии проанализировала свойства фрагментирующегося атомарного газа. Они зафиксировали, как капли превращаются в «квантовый дождь» в вырожденной ультрахолодной жидкости из изотопов калия и рубидия.
«Наши измерения не только продвигают понимание этой экзотической жидкой фазы, но и демонстрируют возможность создания массивов квантовых капель для будущего применения в квантовых технологиях», — говорит Лука Кавиккиоли, первый автор исследования и физик конденсированных сред из Национального института оптики Италии.
Если наблюдать за каплями обычной жидкости (например, дождя), можно увидеть, как они сливаются, разделяются и снова сливаются, двигаясь вниз по стеклу под воздействием гравитации. Эти движения в значительной степени являются результатом перетягивания каната между молекулярными силами в так называемой неустойчивости Рэлея — Плато.
Тонкий дисбаланс зарядов, распределённых между атомами водорода и кислорода создаёт дипольный эффект, который толкает и притягивает заряды в воде и стекле, либо разделяя крупные капли на более мелкие, либо объединяя мелкие капли в крупные. Эти капли всегда стремятся сохранить минимальную площадь поверхности.
Если атомы кислорода и водорода в молекулах воды представляют собой отдельные системы электронов и ядерных частиц, то атомы в ультрахолодном газе теряют всякое «чувство идентичности». Квантовые вероятности доминируют, размазывая роящиеся бозоны в единое облако, где концепция точечной частицы больше не имеет смысла.
Однако энергия системы не усредняется по вероятностному облаку — происходят флуктуации распределении потенциала, создающие отталкивание – этот эффект описывается т.н. коррекцией Ли-Хуан-Янга.
Это напряжение также может заставить атомарные газы на короткое время распасться на более мелкие капли, размер и форма которых зависят от бозонов и состояний частиц, составляющих газ. Квантовые капли видели и изучали и раньше, но их кратковременное существование затрудняло их изучение.
Исследователи, поставившие этот новый эксперимент, начали с наблюдений за квантовыми каплями, сохраняющимися в течение десятков миллисекунд в ультрахолодных облаках калия-41 и рубидия-87, что дало им потенциальную отправную точку для экспериментов.
Выпустив квантовую жидкость в волновод, ограничивающий волнообразную природу смеси, они увидели образование множества капель — настоящий «дождь».
«Сочетая эксперименты с численным моделированием, мы смогли описать динамику разрушения квантовой капли в терминах капиллярной неустойчивости, — говорит физик Кьяра Форт из Флорентийского университета. — Неустойчивость Плато-Рейли — обычное явление для классических жидкостей, также наблюдаемое в сверхтекучем гелии, но пока не наблюдаемое в атомных газах».
