Als je hart klopt, bloed stroomt door uw slagaders in golven van druk. Deze drukgolven manifesteren zich als je pols, een regelmatig ritme dat niet wordt verstoord door de complexe interne structuur van het lichaam. Wetenschappers noemen zulke robuuste golven solitonen, en in veel opzichten gedragen ze zich meer als discrete deeltjes dan als golven. Solitontheorie kan helpen bij het begrijpen van tsunami's, die - in tegenstelling tot andere watergolven - zichzelf over grote oceanische afstanden in stand kunnen houden.

Solitonen kunnen ook in de kwantumwereld ontstaan. Bij de meeste temperaturen, gasatomen stuiteren rond als biljartballen, botsen met elkaar en wegschieten in willekeurige richtingen, volgens de regels van de klassieke natuurkunde. Bijna het absolute nulpunt, echter, bepaalde soorten atomen gaan zich plotseling gedragen volgens de zeer verschillende regels van de kwantummechanica, en begin een soort gecoördineerde dans. Onder ongerepte omstandigheden, solitonen kunnen ontstaan ​​in deze ultrakoude kwantumvloeistoffen, enkele seconden overleven.

Nieuwsgierig naar hoe solitonen zich gedragen in minder dan ongerepte omstandigheden, wetenschappers van NIST's Physical Measurement Laboratory, in samenwerking met onderzoekers van het Joint Quantum Institute (JQI), hebben wat stress toegevoegd aan het leven van een soliton. Ze begonnen met het afkoelen van een wolk rubidium-atomen. Vlak voordat het gas uniforme eigenschappen kon aannemen en een homogene kwantumvloeistof kon worden, een radiofrequent magnetisch veld zorgde ervoor dat een handvol van deze atomen hun klassieke, biljartbal-achtige staat. Die atomen zijn in werkelijkheid, "onzuiverheden" in de atomaire mix. De wetenschappers gebruikten vervolgens laserlicht om atomen in één gebied van de vloeistof uit elkaar te duwen, het creëren van een eenzame golf van lage dichtheid - een "donkere" soliton.

Bij afwezigheid van onzuiverheden, dit gebied met lage dichtheid pulseert stabiel door de ultrakoude vloeistof. Maar wanneer atomaire onzuiverheden aanwezig zijn, de donkere soliton gedraagt ​​zich alsof het een zwaar deeltje is, met lichtgewicht onzuiverheidsatomen die er vanaf stuiteren. Deze botsingen maken de beweging van de donkere soliton willekeuriger. Dit effect doet denken aan Einsteins voorspellingen uit 1905 over gerandomiseerde deeltjesbewegingen. Brownse beweging genoemd.

Geleid door dit kader, de wetenschappers verwachtten ook dat de onzuiverheden als wrijving zouden werken en de soliton zouden vertragen. Maar verrassend genoeg donkere solitons volgen de regels van Einstein niet volledig. In plaats van de soliton naar beneden te slepen, botsingen versnelden het tot een punt van destabilisatie. De snelheidslimiet van de soliton wordt bepaald door de snelheid van het geluid in de kwantumvloeistof, en bij het overschrijden van die limiet explodeerde het in een wolk van geluidsgolven.

Dit gedrag was pas logisch nadat onderzoekers hun wiskundige perspectief veranderden en eraan herinnerden de soliton te behandelen alsof het een negatieve massa heeft. Dit is een eigenzinnig fenomeen dat zich voordoet voor bepaald collectief gedrag van systemen met veel deeltjes. Hier wordt de negatieve massa gemanifesteerd door de duisternis van de soliton - het is een dip in de kwantumvloeistof in plaats van een hoge tsunami-achtige puls. Deeltjes met negatieve massa reageren op wrijvingskrachten tegengesteld aan hun gewone neven, versnellen in plaats van vertragen.

"Al die veronderstellingen over Brownse beweging gingen uiteindelijk het raam uit. Niets ervan was van toepassing, " zegt Hilary Hurst, een afgestudeerde student aan JQI en hoofdtheoreticus op het papier. "Maar uiteindelijk hadden we een theorie die dit gedrag heel goed beschreef, wat heel fijn is."

Lauren Aycock, hoofdauteur op het papier, prees wat zij zag als een bijzonder sterke feedback tussen theorie en experiment, toevoegend dat "het bevredigend is om dit soort succesvolle samenwerking te hebben, waar meting de theorie informeert, wat vervolgens de experimentele resultaten verklaart."

Solitonen in het land van ultrakoude atomen zijn intrigerend, zeg Aycock en Hurst, omdat ze zo dicht mogelijk bij het observeren van het grensvlak tussen kwantumeffecten en de gewone fysica van het dagelijks leven komen. Experimenten als deze kunnen helpen bij het beantwoorden van een diepgaand natuurkundig raadsel:waar ligt de grens tussen klassiek en kwantum? In aanvulling, dit resultaat kan licht werpen op een soortgelijk probleem met solitonen in optische vezels, waar willekeurige ruis de precieze timing kan verstoren die nodig is voor communicatie over lange afstanden.