W kroplach kwantowych - znanym dopiero od kilku lat nowym stanie skupienia materii ("skroplonym" kondensacie Bosego-Einsteina) - można zaobserwować nietypowe kwantowe fale - solitony, o bardzo ciekawych własnościach - wynika z analiz polskich fizyków.
Artykuł teoretyczny naukowców z Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk ukazał się w prestiżowym Physical Review Letters (DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.043401).
Solitony to samopodtrzymujące się fale, wywołane przez tzw. nieliniowe efekty w materii. Można je sobie wyobrazić jako przesuwające się zwiększenie (lub zmniejszenie) gęstości materii. Fale takie mogą rozchodzić się w bardzo różnych ośrodkach i znane są ze stabilności. Raz wzbudzony soliton podróżuje, nie zmieniając kształtu, na duże odległości (w teorii - nieskończenie długo). Nawet jeśli napotyka po drodze przeszkodę - pokonuje ją, a podróżująca dalej fala wygląda tak samo, jak wcześniej.
Solitony stosunkowo łatwo wzbudzić, obserwować i opisywać w wąskich i długich przestrzeniach - kanałach, rurkach, światłowodach.
- Najprostszym układem eksperymentalnym, w którym zaobserwowano solitony, był nadmorski kanał z wodą. Pierwsze eksperymenty sprzed ponad 100 lat polegały na tym, że konie szły wzdłuż brzegu kanału i ciągnęły po wodzie ciężar. Przy pewnych warunkach daje się w ten sposób wytworzyć pojedynczą falę - górkę na wodzie. Ona nie tylko porusza się równomiernie w kanale, ale i dalej ją widać, gdy wypływa z kanału daleko w morze - opowiada prof. Krzysztof Pawłowski z CFT PAN.
- Solitony mogą się wydawać czymś bardzo ezoterycznym, ale to ważne zagadnienie w wielu gałęziach fizyki i matematyce - opisuje prof. Pawłowski. Dodaje, że solitony mogą znaleźć zastosowanie w telekomunikacji - stabilne fale, które nie zmieniają kształtu, mogą przydać się bowiem w przesyłaniu informacji - np. w światłowodach.
Solitony można uzyskać w różnych ciałach. A teraz zespół polskich teoretyków po raz pierwszy pokazał, że można będzie je uzyskać również w kroplach kwantowych - stanie materii znanym dopiero od kilku lat.
Prof. Pawłowski przypomina, że krople kwantowe po raz pierwszy zaobserwowano przypadkiem - w eksperymencie z 2016 r. z kondensatem Bosego-Einsteina (w grupie Tilmana Pfaua w Stuttgarcie).
Czym jest kondensat Bosego-Einsteina? - Każda cząstka jest falą i cząstką jednocześnie. Również atomy mają naturę falową, ale ich fale są ultrakrótkie - mają długość rzędu rozmiaru atomów. Okazuje się jednak, że jeśli temperatura jest bardzo niska, falowa natura atomów staje się wyraźniejsza – atom staje się bardziej "rozmyty”. Jeśli cząstek jest dużo i są bozonami, to ich fale się dodają, tworząc jedną makroskopową falę materii. Jedną funkcję falową współdzielą więc wszystkie cząstki. W standardowym materiale wiemy, gdzie który atom jest. A w kondensacie atomy są "rozlane" - wypełniają całą objętość gazowej chmury - opowiada fizyk, współautor publikacji.
Taki stan materii obserwowany był dotąd w ultrazimnych bardzo rozrzedzonych gazach, gdzie cząstki oddzielane są od otoczenia pułapkami elektromagnetycznymi.
- Kondensat to stan badany od kilkudziesięciu lat i nie oczekiwano, że jeszcze czymś nas tak zaskoczy - opowiada naukowiec. Okazało się jednak, że kondensat w pewnych warunkach może dzielić się na podłużne lewitujące krople. Mają one kształt rurek o średnicy rzędu stu mikrometrów. - One wyglądają mniej więcej jak krople wody na stole: mają napięcie powierzchniowe i płaski wierzch - opisuje naukowiec. Można więc wyobrazić sobie, że krople kwantowe to skroplony kondensat Bosego-Einsteina.
Na razie niewiele wiadomo o własnościach kropli kwantowych. Teoretycy sprawdzają jednak, co ciekawego można będzie w związku z nimi obserwować.
Teraz zespół z Polski po raz pierwszy pokazał, że w kroplach kwantowych można będzie obserwować solitony. Jak się okazało, w kroplach kwantowych solitony mogą być dowolnie szerokie. To o tyle ciekawy wniosek, że solitony w kondensacie Bosego-Einsteina trudno obserwować na żywo, bo są bardzo wąskie.
- Jeśli ultrazimne gazy atomów mają własności magnetyczne, to przyjmujemy, że atomy są tam odpowiednio ułożone - pole magnetyczne tworzy cienką rurkę, w której znajdują się cząstki. W tak utworzonej rurce mogą poruszać się właśnie solitony. My zajmujemy się solitonami ciemnymi, które są widoczne jako rozrzedzenie materii wewnątrz rurki - opisuje naukowiec.
Solitony w kondensacie miały dotąd szerokość rzędu części mikrometra, a więc poniżej rozdzielczości mikroskopów optycznych. Nie dałoby się więc zrobić im zdjęcia czy nagrać filmu. To się może zmienić, jeśli pod uwagę weźmie się krople kwantowe.
- W naszych badaniach pokazujemy, że w kroplach kwantowych można sterować szerokością solitonów. Mogą być one dowolnie szerokie - mówi badacz. Ograniczeniem jest oczywiście rozmiar kropli kwantowej.
Pierwszy autor pracy Jakub Kopyciński, który robi doktorat w CFT PAN, wspomina, co czuł po kilku miesiącach prób rozwiązania równania opisującego zachowanie ultrazimnych atomów (równanie to mieściło się w zaledwie jednej linijce). - Rzuciłem wtedy w rozmowie: "Nie sądzę, żeby ten wynik był wyjątkowo interesujący, ale chciałbym się zdziwić". A kiedy potem zrobiłem w końcu wykres przedstawiający szerokość solitonu, otworzyłem szerzej oczy ze zdumienia. Nerwowo rzuciłem się do sprawdzania obliczeń, ale każde kolejne podejście kończyło się tym samym wnioskiem - szerokość tych solitonów można zmieniać właściwie w nieograniczonym zakresie - opowiada Jakub Kopyciński.
- To wynik teoretyczny, czeka na potwierdzenie eksperymentalne. Mam jednak nadzieję, że szybko znajdą się grupy, które wytworzą w kroplach kwantowych solitony i je zmierzą - mówi prof. Pawłowski.
Profesor pytany, czy taka niezwykła fala buja się wewnątrz kropli, czy może przeskakuje na inne pobliskie krople - mówi, że kiedy soliton przejdzie przez kroplę - nie zmienia kształtów i powinno się go dać zaobserwować w kolejnych kroplach na drodze tej fali.
Jakub Kopyciński komentuje zaś, że badanie tego obszaru wiedzy jest nie lada wyzwaniem, ale również jest bardzo motywujące. - To bardzo szybko rozwijająca się gałąź naszej dziedziny a każda kolejna cząstka wiedzy poprawia nasze rozumienie świata i może stanowić interesujący punkt wyjścia do kolejnych odkryć. Odkryć, które - mam taką nadzieję - znajdą kiedyś codzienne zastosowanie - podsumowuje doktorant.
Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl, fot. Publicdomainpictures.net
