Kvanteeksperimenter undersøger underliggende fysik i skurkagtige havbølger

Ved præcist at kontrollere kvanteadfærden for en ultrakold atomgas, Fysikere fra Rice University har skabt et modelsystem til undersøgelse af bølgefænomenet, der kan forårsage useriøse bølger i Jordens oceaner.

Undersøgelsen vises i denne uge i Videnskab . Forskerne sagde, at deres eksperimentelle system kunne give spor om den underliggende fysik i useriøse bølger-100 fod vandmure, der er sejlsager, men kun blev bekræftet videnskabeligt inden for de sidste to årtier. Nyere forskning har fundet useriøse bølger, som kan ødelægge og synke selv de største skibe, kan være mere almindelig end tidligere antaget.

"Vi er interesserede i, hvordan selvtiltrækkende bølger udvikler sig, "sagde hovedforsker Randy Hulet, Rice's Fayez Sarofim Professor i fysik og astronomi. "Selvom vores eksperiment er i kvanteområdet, den samme fysik gælder for klassiske bølger, herunder useriøse vandbølger. "

Hulets laboratorium bruger lasere og magnetiske fælder til at afkøle bittesmå skyer af en atomgas til mindre end en milliontedel af en grad over det absolutte nul, temperaturer langt koldere end de dybeste områder af det ydre rum. I denne ekstreme kvantemekaniske effekter er i centrum. Atomer kan fås til at marchere i lås, forsvinde eller parres lige som elektroner i superledere. I 2002, Hulets team skabte de første "soliton -tog" i ultrakold atomarer. Solitons formindskes ikke, spredes eller ændrer form, når de bevæger sig. I 2014, Hulet og kolleger viste, at to materiebølge -solitoner, der rejser i modsatte retninger i en fælde, kort vil blinke ud af eksistensen i stedet for at dele plads, når de passerede gennem hinanden.

Både resultaterne fra 2002 og 2014 lignede bemærkelsesværdigt den adfærd, der blev observeret i vandbølge-solitoner i en kanal i midten af ​​1800-tallet af den skotske ingeniør John Scott Russell. Han mistede aldrig sin fascination af solitons og byggede en modelkanal i haven bag hans hus for at studere dem. For eksempel, han var den første til at vise, at to af bølgerne, der bevægede sig i modsatte retninger, ville passere gennem hinanden uden interaktion.

Matematisk, solitons er resultatet af en ikke -lineær tiltrækning, en, hvor inputene har en uforholdsmæssig virkning på output. Og ethvert bølgebaseret ikke-lineært system-det være sig bølger af vand i det dybe hav eller bølger af ultrakølede atomer i en fælde-er underlagt denne og andre universelle ikke-lineære effekter.

I de seneste forsøg, Hulet, forsker Jason Nguyen og kandidatstuderende De "Henry" Luo brugte frastødende interaktioner til at skabe en cigarformet stofbølge kendt som et Bose-Einstein-kondensat. Ved hurtigt at skifte interaktioner til at være attraktive, forskerne fik gassen til at gennemgå en "modulerende ustabilitet, "en ikke -lineær effekt, hvor små, tilfældige forstyrrelser i systemet forstærkes.

"Betingelserne udvælger, hvilke forstyrrelser der forstærkes, "sagde Nguyen, hovedforfatter til det nye papir. "Når dette sker, Bose-Einstein-kondensatet deler sig i et tog af individuelle solitoner adskilt af diskrete rum. "

Det resulterende soliton -tog er, hvad Hulets team først oprettede i 2002, men Luo sagde, at den nye undersøgelse er den første til eksperimentelt at undersøge systemets underliggende fysik for at afgøre, om strukturen i et soliton -tog stammer fra startbetingelserne eller udvikler sig dynamisk, når systemet reagerer på disse betingelser. Nguyen, Luo og Hulet var i stand til at besvare dette spørgsmål ved systematisk at variere betingelserne i deres eksperimenter og tage snapshots af soliton -togene hvert andet millisekund i løbet af eksperimentet.

"Det, vi fandt, var, at under visse betingelser, antallet af solitons forbliver uændret, "Luo sagde." Dette er bevis på, at soliton -toget er født med egenskaberne til at være stabilt frem for at udvikle sig til en så stabil struktur over tid. "

I mere end en undersøgelse i løbet af det sidste årti, fysikere og matematikere har forsøgt at beskrive adfærd fra useriøse bølger ved hjælp af matematik, der ligner den, der bruges til at beskrive kvantesystemer, og Hulet sagde, at ultrakølede atomeksperimenter giver en ideel platform til at teste nye teorier om rogue wave dynamics.

"Det vil blive svært at genskabe de præcise forhold, der forårsager en useriøs solitonbølge i havet, selv i en stor bølgetank, "Sagde Hulet." Folk prøver at gøre det, men vi kan få indsigt i dannelsen af ​​solitons ved at studere deres dannelse i kvanten, frem for klassisk, regime."