Исследователи из Лаборатории квантовых смесей Национального института оптики (Cnr-Ino) совместно с учёными из Национального исследовательского совета Италии (Cnr), Университета Флоренции, Европейской лаборатории нелинейной спектроскопии (LENS), а также университетов Болоньи, Падуи и Страны Басков (UPV/EHU) впервые зафиксировали явление, которое они называют «квантовым дождём». Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Впервые в истории капиллярная неустойчивость, известная как неустойчивость Плато – Рэлей, была обнаружена не только в классических жидкостях (как вода или сверхтекучий гелий), но и в ультраразреженном квантовом газе. В классических жидкостях капиллярная неустойчивость проявляется в разрыве тонкой струи жидкости на последовательность капель — процесс, который лежит в основе образования дождя и пузырей, а также широко используется в промышленности, биомедицине и нанотехнологиях.
В классических жидкостях этот процесс происходит благодаря поверхностному натяжению — явлению, обусловленному межмолекулярными силами, стремящимися минимизировать площадь поверхности. В результате, например, капля дождя принимает форму шара, а мыльный пузырь — сферу.
В квантовой физике ситуация усложняется: если атомные газы охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю, отдельные атомы теряют индивидуальность и начинают подчиняться законам квантовой механики. В определённых условиях такие газы могут вести себя как жидкости, хотя сами по себе они всё ещё остаются газами. Учёные научились формировать из сверххолодных атомных смесей (например, калия и рубидия) связанные, «жидкоподобные» капли. Эти капли стабилизируются исключительно за счёт квантовых эффектов, и по своему поведению напоминают обычные жидкие капли.
Эксперимент, проведённый под руководством Алессии Буркянти (Cnr-Ino), заключался в исследовании динамики одной квантовой капли из смеси ультрахолодных атомов калия и рубидия. Каплю выпускали в оптический световод, где она вытягивалась в тонкую нить — «филамент». При достижении критической длины этот филамент разрывался на несколько меньших капель — квантовых субдроплетов. Количество образовавшихся субдроплетов оказывалось прямо пропорциональным длине филамента в момент разрыва.
Команда исследователей совместила экспериментальные наблюдения и численное моделирование, чтобы описать динамику распада квантовой капли на субдроплеты в терминах капиллярной неустойчивости. «Объединяя эксперименты и численные симуляции, удалось описать динамику распада квантовой капли с точки зрения капиллярной неустойчивости», — отмечает исследователь Университета Флоренции Кьяра Форт.
Лука Кавиккиоли, первый автор публикации и сотрудник Cnr-Ino, подчёркивает: «Измерения позволили глубоко понять эту уникальную жидкую фазу и открывают путь к созданию массивов квантовых капель для будущих квантовых технологий».
До этого момента капиллярная неустойчивость в атомных газах не фиксировалась ни в одном эксперименте. Её наблюдали лишь в классических жидкостях и сверхтекучем гелии. Теперь впервые показано, что квантовые жидкости из ультраразреженных газов способны демонстрировать аналогичные явления.
Открытие «квантового дождя» не только подтверждает существование новых фаз квантовых жидкостей, но и открывает перспективы для создания массивов квантовых капель, что может стать основой для новых технологий в области квантовых вычислений и сенсорики.
Изображение носит иллюстративный характер
Впервые в истории капиллярная неустойчивость, известная как неустойчивость Плато – Рэлей, была обнаружена не только в классических жидкостях (как вода или сверхтекучий гелий), но и в ультраразреженном квантовом газе. В классических жидкостях капиллярная неустойчивость проявляется в разрыве тонкой струи жидкости на последовательность капель — процесс, который лежит в основе образования дождя и пузырей, а также широко используется в промышленности, биомедицине и нанотехнологиях.
В классических жидкостях этот процесс происходит благодаря поверхностному натяжению — явлению, обусловленному межмолекулярными силами, стремящимися минимизировать площадь поверхности. В результате, например, капля дождя принимает форму шара, а мыльный пузырь — сферу.
В квантовой физике ситуация усложняется: если атомные газы охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю, отдельные атомы теряют индивидуальность и начинают подчиняться законам квантовой механики. В определённых условиях такие газы могут вести себя как жидкости, хотя сами по себе они всё ещё остаются газами. Учёные научились формировать из сверххолодных атомных смесей (например, калия и рубидия) связанные, «жидкоподобные» капли. Эти капли стабилизируются исключительно за счёт квантовых эффектов, и по своему поведению напоминают обычные жидкие капли.
Эксперимент, проведённый под руководством Алессии Буркянти (Cnr-Ino), заключался в исследовании динамики одной квантовой капли из смеси ультрахолодных атомов калия и рубидия. Каплю выпускали в оптический световод, где она вытягивалась в тонкую нить — «филамент». При достижении критической длины этот филамент разрывался на несколько меньших капель — квантовых субдроплетов. Количество образовавшихся субдроплетов оказывалось прямо пропорциональным длине филамента в момент разрыва.
Команда исследователей совместила экспериментальные наблюдения и численное моделирование, чтобы описать динамику распада квантовой капли на субдроплеты в терминах капиллярной неустойчивости. «Объединяя эксперименты и численные симуляции, удалось описать динамику распада квантовой капли с точки зрения капиллярной неустойчивости», — отмечает исследователь Университета Флоренции Кьяра Форт.
Лука Кавиккиоли, первый автор публикации и сотрудник Cnr-Ino, подчёркивает: «Измерения позволили глубоко понять эту уникальную жидкую фазу и открывают путь к созданию массивов квантовых капель для будущих квантовых технологий».
До этого момента капиллярная неустойчивость в атомных газах не фиксировалась ни в одном эксперименте. Её наблюдали лишь в классических жидкостях и сверхтекучем гелии. Теперь впервые показано, что квантовые жидкости из ультраразреженных газов способны демонстрировать аналогичные явления.
Открытие «квантового дождя» не только подтверждает существование новых фаз квантовых жидкостей, но и открывает перспективы для создания массивов квантовых капель, что может стать основой для новых технологий в области квантовых вычислений и сенсорики.
