Учені вперше зафіксували квантовий дощ з атомного газу
Науковці вперше спостерігали незвичайне явище "квантового дощу" в надхолодній рідині з ізотопів калію та рубідію, що встановлює унікальний міст між класичною гідродинамікою та квантовим світом.
Чисельне моделювання розпаду квантової краплі. (CNR-INO)
Квантовий парадокс у рідкому стані
Дослідники з Іспанії та Італії відкрили нове явище у світі квантової фізики. Вони спостерігали фрагментацію атомного газу на краплі. Це відкриття розширює наше розуміння поведінки квантових рідин. Такі відкриття можуть суттєво вплинути на майбутні квантові технології.
"Наші вимірювання не лише поглиблюють розуміння цієї екзотичної рідкої фази, але й демонструють можливість створення масивів квантових крапель для майбутніх застосувань у квантових технологіях", – зазначає Лука Кавіккіолі, перший автор дослідження і фізик конденсованих середовищ з Національного інституту оптики Італії.
У нашому повсякденному світі краплі води на шибці демонструють класичну фізику рідин. Кожна крапля утримується поверхневим натягом. Вони зливаються та розбиваються під дією гравітації. Цей процес визначається молекулярними силами в явищі,
відомому як нестабільність Плато-Рейлі.
Дипольний ефект молекул води створює складну взаємодію зарядів. Саме ця взаємодія визначає поведінку крапель на поверхні. Вони можуть розбиватися на менші або об'єднуватися у більші. Цей процес мінімізує площу поверхні крапель.
Від класичних крапель до квантового газу
У надхолодному газі атоми втрачають індивідуальність у квантовому сенсі. Бозони утворюють єдину хмару. Поняття окремої частинки в такому стані втрачає сенс. Проте навіть у такому газі існують конкуруючі сили.
Енергія в квантовій хмарі має тенденцію до усереднення. Водночас існують флуктуації в потенційному розташуванні хмари. Ці флуктуації створюють відштовхуючий ефект. Науковці називають його поправкою Лі-Хуан-Янга.
Напруженість між цими силами призводить до цікавого явища. Атомарний газ може фрагментуватися на менші краплі. Розмір і форма цих крапель залежать від складу газу та квантових станів частинок.
a) Схема установки експерименту. b) Час введення нестабільностей в ультрахмарний газ для фрагментації. c) Дані поглинання калію, що показують час фрагментації в мілісекундах.
(Кавіккіолі та ін., Physical Review Letters, 2025)
Експериментальне підтвердження теорії
Дослідники почали з вивчення квантових крапель в надхолодних хмарах калію-41 і рубідію-87. Ці краплі зберігалися протягом десятків мілісекунд. Це дало вченим час для проведення експериментів.
Квантову рідину випустили в спеціальний канал – хвилевід. Він звужував хвилеподібні властивості суміші. В результаті утворилася множина крапель – справжній "квантовий дощ". Форми фрагментів залежали від їхнього енергетичного стану.
"Поєднавши експерименти з числовим моделюванням, ми змогли описати динаміку розпаду квантової краплі з точки зору капілярної нестабільності", – пояснює фізик Кьяра Форт з Флорентійського університету. "Нестійкість Плато-Рейлі є поширеним явищем у класичних рідинах, також спостерігається в надплинному гелії, але ще не в атомарних газах".
Перспективи для квантових технологій
Результати експерименту підтвердили теоретичні передбачення. Це відкриває шлях до створення нових інструментів для розуміння квантових ефектів. Особливо цікаво, як ці ефекти віддзеркалюють явища нашого повсякденного світу.
Дослідження має важливе значення для розвитку квантових технологій. Розуміння поведінки квантових крапель може допомогти вченим маніпулювати квантовими станами. Таке маніпулювання необхідне для створення нових квантових пристроїв.
Результати дослідження опубліковані в престижному науковому журналі Physical Review Letters. Вони додають важливий фрагмент до складної мозаїки квантової фізики. Подальші дослідження допоможуть глибше зрозуміти ці захоплюючі явища.
