Stofbølger og kvantesplinter

Fysikere i USA, Østrig og Brasilien har vist, at omrystning af ultrakølede Bose-Einstein-kondensater (BEC'er) kan få dem til enten at dele sig i ensartede segmenter eller splintre i uforudsigelige splinter, afhængig af omrystningens hyppighed.

"Det er bemærkelsesværdigt, at det samme kvantesystem kan give anledning til så forskellige fænomener, "sagde fysiker ved Rice University Randy Hulet, medforfatter til en undersøgelse om værket, der i dag er offentliggjort online i tidsskriftet Fysisk gennemgang X . Hulets laboratorium gennemførte undersøgelsens eksperimenter ved hjælp af lithium BEC'er, små skyer af ultrakølede atomer, der marcherer i lås, som om de er en enkelt enhed, eller stofbølge. "Forholdet mellem disse tilstande kan lære os meget om komplekse kvante mange-kropsfænomener."

Forskningen blev udført i samarbejde med fysikere ved Østrigs Wien University of Technology (TU Wien) og Brasiliens University of São Paulo i São Carlos.

Eksperimenterne harken til Michael Faradays opdagelse fra 1831, at mønstre af krusninger blev skabt på overfladen af ​​en væske i en spand, der blev rystet lodret ved bestemte kritiske frekvenser. Mønstrene, kendt som Faraday -bølger, ligner resonante tilstande skabt på tromlehoveder og vibrerende plader.

For at undersøge Faraday -bølger, holdet begrænsede BEC'er til en lineær endimensionel bølgeleder, hvilket resulterer i en cigarformet BEC. Forskerne rystede derefter BEC'erne ved hjælp af en svag, langsomt oscillerende magnetfelt for at modulere styrken af ​​interaktioner mellem atomer i 1D -bølgelederen. Faraday -mønsteret opstod, da frekvensen af ​​modulering blev indstillet nær en kollektiv tilstandsresonans.

Men teamet bemærkede også noget uventet:Når moduleringen var stærk, og frekvensen var langt under en Faraday -resonans, BEC brød ind i "korn" af varierende størrelse. Risforsker Jason Nguyen, hovedmedforfatter af undersøgelsen, fandt kornstørrelserne bredt fordelt og vedvarede i tider endnu længere end moduleringstiden.

"Granulering er normalt en tilfældig proces, der observeres i faste stoffer såsom glasskår, eller pulverisering af en sten til korn af forskellig størrelse "sagde studieforfatter Axel Lode, der har fælles ansættelser på både TU Wien og Wolfgang Pauli Institute ved universitetet i Wien.

Billeder af BECs kvantetilstand var identiske i hvert Faraday -bølgeeksperiment. Men i granuleringsforsøgene så billederne helt forskellige ud hver gang, selvom forsøgene blev udført under identiske betingelser.

Lode sagde, at variationen i granuleringsforsøgene stammer fra kvantekorrelationer - komplicerede forhold mellem kvantepartikler, der er vanskelige at beskrive matematisk.

"En teoretisk beskrivelse af observationerne viste sig at være udfordrende, fordi standardmetoder ikke var i stand til at gengive observationer, især den brede fordeling af kornstørrelser, "Sagde Lode. Hans team hjalp med at fortolke de eksperimentelle resultater ved hjælp af en sofistikeret teoretisk metode, og dens implementering i software, som stod for kvanteudsving og korrelationer, som typiske teorier ikke tager fat på.

Hulet, Rice's Fayez Sarofim Professor i fysik og astronomi, og medlem af Rice Center for Quantum Materials (RCQM), sagde, at resultaterne har vigtige konsekvenser for undersøgelser af turbulens i kvantevæsker, et uløst problem inden for fysik.