Επιστήμονες κατέγραψαν για πρώτη φορά «κβαντική βροχή» από σταγονίδια ατομικών αερίων

Μια πρωτοποριακή παρατήρηση έρχεται να γεφυρώσει τον κλασικό κόσμο της Φυσικής με το παράξενο βασίλειο της Κβαντομηχανικής. Τα σταγονίδια ενός υπερκρύου ρευστού, αποτελούμενα από ισότοπα καλίου και ρουβιδίου, διασπώνται σε «κβαντική βροχή», μιμούμενα φαινόμενα που συναντάμε καθημερινά, όπως για παράδειγμα το σπάσιμο των σταγόνων της βροχής σε ένα τζάμι.

Η έρευνα προσφέρει ένα νέο παράθυρο στη μελέτη των κβαντικών ρευστών, δηλαδή καταστάσεων της ύλης που υπόκεινται σε ιδιότητες που ξεφεύγουν από την κοινή λογική.

Οι επιστήμονες έχουν εξοικειωθεί εδώ και καιρό με φαινόμενα όπως η αστάθεια Plateau–Rayleigh, η οποία εξηγεί γιατί οι σταγόνες νερού διαχωρίζονται ή συγχωνεύονται καθώς κυλούν σε μια επιφάνεια. Το φαινόμενο αυτό προκαλείται από την επιφανειακή τάση και την αλληλεπίδραση των μορίων του νερού. Αλλά τι συμβαίνει όταν αντικαταστήσουμε τις σταγόνες με κβαντικά σωματίδια;

Στο νέο πείραμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα υπερκρύο μείγμα από άτομα καλίου-41 και ρουβιδίου-87, δύο ισότοπα που όταν ψυχθούν κοντά στο απόλυτο μηδέν, χάνουν τις κλασικές τους ιδιότητες και συμπεριφέρονται ως ένα ενιαίο κβαντικό νέφος. Σε αυτή την εξαιρετικά εξωτική φάση, οι νόμοι της Φυσικής αποκτούν νέο νόημα: τα άτομα παύουν να έχουν ξεκάθαρη ταυτότητα, ενώ η συμπεριφορά τους καθορίζεται από πιθανοκρατικά κβαντικά κύματα.

Αν και η ύπαρξη «κβαντικών σταγονιδίων» είχε παρατηρηθεί και στο παρελθόν, η φύση τους ήταν φευγαλέα. Αυτή τη φορά, οι ερευνητές μπόρεσαν να παρακολουθήσουν τη δημιουργία και τον διαχωρισμό αυτών των σταγονιδίων σε πραγματικό χρόνο, για δεκάδες χιλιοστά του δευτερολέπτου, ένας χρόνος-ρεκόρ για τέτοιες συνθήκες.

Το κλειδί της επιτυχίας ήταν ένα ειδικό κανάλι, γνωστό ως κυματοδηγός (waveguide), που περιόριζε την εξάπλωση του κβαντικού νέφους, αναγκάζοντας το να συμπεριφερθεί σαν λεπτό ρεύμα υγρού. Όταν το μείγμα αφέθηκε να κινηθεί εντός του κυματοδηγού, διασπάστηκε σε πολλαπλά σταγονίδια, όπως ακριβώς το νερό διαχωρίζεται σε σταγόνες από την επιφανειακή τάση.

Ο σχηματισμός αυτών των κβαντικών σταγονιδίων επιβεβαιώθηκε από θεωρητικά μοντέλα, προσφέροντας στους ερευνητές ισχυρές ενδείξεις ότι το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί με όρους κλασικής ρευστομηχανικής, αλλά στο πλαίσιο μιας κβαντικής πραγματικότητας.

«Καταφέραμε να περιγράψουμε τη διάσπαση των σταγονιδίων με όρους αστάθειας από επιφανειακή τάση, όπως συμβαίνει στα κλασικά υγρά», εξηγεί η φυσικός Chiara Fort από το Πανεπιστήμιο της Φλωρεντίας. «Αυτό το φαινόμενο είναι κοινό σε υγρά όπως το νερό, έχει επίσης παρατηρηθεί σε υπερρευστό ήλιο, αλλά ποτέ πριν σε ατομικά αέρια».

Το κβαντικό υγρό που δημιουργήθηκε εμφανίζει και απωθητικές κβαντικές διορθώσεις, γνωστές ως διορθώσεις Lee-Huang-Yang, που ενισχύουν την σταθερότητα του υγρού και συμβάλλουν στη δημιουργία αυτών των μικροσκοπικών δομών.

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα κβαντικά ρευστά διαχωρίζονται και σχηματίζουν μοτίβα μπορεί να αποδειχθεί καθοριστική για την ανάπτυξη μελλοντικών κβαντικών τεχνολογιών, όπως κβαντικοί αισθητήρες, επεξεργασία πληροφορίας ή ακόμα και νέα υλικά με ασυνήθιστες ιδιότητες.

«Οι μετρήσεις μας όχι μόνο βελτιώνουν την κατανόηση αυτής της εξωτικής φάσης της ύλης, αλλά και δείχνουν ότι μπορούμε να δημιουργήσουμε μοτίβα από κβαντικά σταγονίδια για πιθανές μελλοντικές εφαρμογές», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Luca Cavicchioli, από το Ιταλικό Εθνικό Ινστιτούτο Οπτικής.

Οι ερευνητές εκτιμούν ότι αυτή η νέα γνώση θα βοηθήσει στην προσέγγιση του κβαντικού κόσμου με εργαλεία από τη μακροσκοπική Φυσική, καθιστώντας πιο εφικτό τον έλεγχο και την αξιοποίηση φαινομένων που μέχρι πρότινος θεωρούνταν αφηρημένα ή απρόβλεπτα.

[via]