Вчені вперше зафіксували «квантовий дощ»

У Лабораторії квантових сумішей Національного інституту оптики (Cnr-Ino) команда дослідників з Cnr, Флорентійського університету та Європейської лабораторії нелінійної спектроскопії (LENS) спостерігала явище капілярної нестабільності в нетрадиційній рідині — ультрарозрідженому квантовому газі. Це відкриття має важливе значення для розуміння і маніпулювання новими формами матерії.

Дослідження, опубліковане в журналі Physical Review Letters, також включає участь вчених з Університетів Болоньї, Падуї та Країни Басків (UPV/EHU).

У фізиці відомо, що поверхневий натяг рідини, спричинений міжмолекулярними силами зчеплення, прагне мінімізувати площу поверхні. Цей механізм є причиною макроскопічних явищ, таких як утворення крапель дощу або мильних бульбашок.

Поверхневий натяг лежить в основі капілярної нестабільності, також відомої як нестабільність Плато—Релея, при якій тонкий струмінь рідини розпадається, утворюючи послідовність крапель. Вивчення та розуміння цього явища має важливе значення для промисловості, біомедицини та нанотехнологій.

В атомних газах, охолоджених до температур, близьких до абсолютного нуля, атоми втрачають свою індивідуальність і підкоряються законам квантової механіки. У певних умовах ці системи поводяться як рідини, хоча й залишаються в газовій фазі.

Насправді, вже кілька років науковцям вдається завдяки точному контролю міжатомних взаємодій створювати самозв’язані, подібні до рідини краплі з ультрахолодних газів. Ці невеликі скупчення атомів, стабілізовані квантовими ефектами, мають подібні властивості до класичних рідких крапель.

За допомогою методів візуалізації та оптичної маніпуляції експериментальна команда під керівництвом Алессії Бурк’янті (дослідниця Cnr-Ino) вивчала динамічну еволюцію окремої квантової краплі, створеної з ультрахолодної суміші атомів калію та рубідію.

Крапля, випущена в оптичному хвилеводі, подовжується, утворюючи нитку, яка, перевищивши критичну довжину, розпадається на менші краплі. Кількість підкрапель пропорційна довжині нитки в момент розриву.

«Комбінуючи експерименти та чисельне моделювання, вдалося описати динаміку розпаду квантової краплі через капілярну нестабільність. Нестабільність Плато—Релея є поширеним явищем у класичних рідинах, яке також спостерігалося в надплинному гелії, але досі не було зафіксоване в атомних газах», — розповідає К’яра Форт (дослідниця UNIFI), яка брала участь у дослідженні.

«Вимірювання, проведені в нашій лабораторії, дають глибоке розуміння цієї особливої рідкої фази та відкривають шлях до створення масивів квантових крапель для майбутніх застосувань у квантових технологіях», — додає Лука Кавіккьолі (дослідник Cnr-Ino), перший автор статті.