Mysteriet om de mørke solitons

Når dit hjerte banker, blodbaner gennem dine arterier i trykbølger. Disse trykbølger manifesterer sig som din puls, en regelmæssig rytme, der ikke forstyrres af kroppens komplekse indre struktur. Forskere kalder sådanne robuste bølger solitons, og på mange måder opfører de sig mere som diskrete partikler end bølger. Soliton -teori kan hjælpe med at forstå tsunamier, som - i modsætning til andre vandbølger - kan opretholde sig selv over store oceaniske afstande.

Solitons kan også opstå i kvanteverdenen. Ved de fleste temperaturer, gasatomer hopper rundt som billardkugler, kolliderer med hinanden og skyder ud i tilfældige retninger, efter reglerne i klassisk fysik. Næsten absolut nul, imidlertid, visse former for atomer begynder pludselig at opføre sig i henhold til kvantemekanikkens meget forskellige regler, og begynde en slags koordineret dans. Under uberørte forhold, solitons kan dukke op inde i disse ultrakølede kvantevæsker, overlevede i flere sekunder.

Nysgerrig efter, hvordan solitons opfører sig under mindre end uberørte forhold, forskere ved NIST's Physical Measurement Laboratory, i samarbejde med forskere ved Joint Quantum Institute (JQI), har tilføjet en vis stress til en solitons liv. De begyndte med at nedkøle en sky af rubidiumatomer. Lige før gassen kunne antage ensartede egenskaber og blive en homogen kvantevæske, et radiofrekvent magnetfelt lokkede en håndfuld af disse atomer til at beholde deres klassiske, billardboldlignende tilstand. Disse atomer er, træde i kræft, "urenheder" i atomblandingen. Forskerne brugte derefter laserlys til at skubbe atomer fra hinanden i et område af væsken, skaber en ensom bølge med lav densitet - en "mørk" soliton.

I mangel af urenheder, denne region med lav densitet pulserer stabilt gennem den ultrakølede væske. Men når atom urenheder er til stede, den mørke soliton opfører sig som om det var en tung partikel, med lette urenhedsatomer, der springer ud af det. Disse kollisioner gør den mørke solitons bevægelse mere tilfældig. Denne effekt minder om Einsteins forudsigelser fra 1905 om randomiseret partikelbevægelse, kaldet Brownsk bevægelse.

Styret af denne ramme, forskerne forventede også, at urenhederne ville virke som friktion og bremse solitonen. Men overraskende nok, mørke solitons følger ikke helt Einsteins regler. I stedet for at trække kabinen ned, kollisioner fremskyndede det til et punkt af destabilisering. Solitonens hastighedsgrænse er indstillet af lydens hastighed i kvantevæsken, og efter at have overskredet denne grænse eksploderede den i et pust af lydbølger.

Denne adfærd gav kun mening, efter at forskere ændrede deres matematiske perspektiv og huskede at behandle solitonen som om den havde en negativ masse. Dette er et finurligt fænomen, der opstår for visse kollektive adfærd i mangepartikelsystemer. Her manifesteres den negative masse ved solitonens mørke-det er et dyk i kvantevæsken frem for en høj tsunami-lignende puls. Partikler med negativ masse reagerer på friktionskræfter modsat deres almindelige fætre, fremskynde i stedet for at bremse.

"Alle disse antagelser om brownisk bevægelse endte med at gå ud af vinduet. Intet af det gjaldt, "siger Hilary Hurst, en kandidatstuderende ved JQI og hovedteoretiker på papiret. "Men til sidst havde vi en teori, der beskrev denne adfærd meget godt, hvilket er virkelig rart. "

Lauren Aycock, hovedforfatter på papiret, roste det, hun så som særlig stærk feedback mellem teori og eksperiment, tilføjer, at "det er tilfredsstillende at have denne form for vellykket samarbejde, hvor måling informerer teori, som derefter forklarer eksperimentelle resultater. "

Solitons i landet med ultrakølede atomer er spændende, sige Aycock og Hurst, fordi de er så tæt på, som du kan komme til at observere grænsefladen mellem kvanteeffekter og dagligdagens almindelige fysik. Eksperimenter som dette kan hjælpe med at besvare en dyb fysikgåde:hvor er grænsen mellem klassisk og kvant? Ud over, dette resultat kan kaste lys over et lignende problem med solitons i optiske fibre, hvor tilfældig støj kan forstyrre den præcise timing, der er nødvendig for kommunikation over lange afstande.