Команда физиков в Барселоне создала жидкие капли в 100 миллионов раз тоньше, чем вода, которые объединяются, используя странные квантовые законы.
В статье, опубликованной 14 декабря в журнале Science, исследователи обнаружили, что эти странные капли возникли в странном микроскопическом мире лазерной решетки - оптической структуры, используемой для манипулирования квантовыми объектами - в лаборатории в Испанском институте фототехники, или Институт Фотонных Наук (ICFO). И это были настоящие жидкости: вещества, которые поддерживают свой объем независимо от внешней температуры и образуют капельки в небольших количествах. Это в отличие от газов, которые распространяются, чтобы заполнить их контейнеры. Но они были гораздо менее плотными, чем любая жидкость, которая существует в нормальных условиях, и поддерживали свое жидкое состояние посредством процесса, известного как квантовые флуктуации.
Исследователи охладили газ из атомов калия, охлажденный до минус 459,67 градусов по Фаренгейту (минус 273,15 градусов по Цельсию), близких к абсолютному нулю. При этой температуре атомы образовали бозе-эйнштейновский конденсат. Это состояние материи, когда холодные атомы слипаются и начинают физически перекрываться. Эти конденсаты интересны тем, что в их взаимодействиях преобладают квантовые законы, а не классические взаимодействия, которые могут объяснить поведение большинства больших объемов материи.
Когда исследователи столкнули два из этих конденсатов вместе, они образовали капли, соединяясь вместе, чтобы заполнить определенный объем. Но в отличие от большинства жидкостей, которые удерживают свои формы капель вместе посредством электромагнитных взаимодействий между молекулами, эти капли удерживали свои формы посредством процесса, известного как «квантовые флуктуации».
Квантовые флуктуации вытекают из принципа неопределенности Гейзенберга, который гласит, что частицы в основном вероятностны - они не удерживают один энергетический уровень или место в пространстве, а скорее размазаны по нескольким возможным энергетическим уровням и местоположениям. Эти «размазанные» частицы ведут себя так, будто они прыгают через свои возможные местоположения и энергии, оказывая давление на своих соседей. Сложите все давления потоков всех частиц, и вы обнаружите, что они имеют тенденцию притягивать друг друга больше, чем отталкивают друг друга. Это влечение связывает их вместе в капельки.
Эти новые капли уникальны тем, что квантовые флуктуации являются доминирующим эффектом, удерживающим их в жидком состоянии. Другие "квантовые жидкости", такие как жидкий гелий, демонстрируют этот эффект, но также включают в себя гораздо более мощные силы, которые гораздо теснее связывают их друг с другом.
Однако капельки конденсата калия не подчиняются этим другим силам и имеют очень слабо взаимодействующие частицы, и поэтому распределяются в гораздо более широких пространствах - даже если они удерживают форму капель. Авторы пишут, что по сравнению с аналогичными каплями гелия эта жидкость на два порядка больше и на восемь порядков более разбавлена. Исследователи пишут, что для экспериментаторов это очень важно; капли калия могут оказаться гораздо лучшей моделью квантовых жидкостей для будущих экспериментов, чем гелий.
Квантовые капли имеют свои пределы, хотя. Если в них задействовано слишком мало атомов, они разрушаются, испаряясь в окружающее пространство.
