Door het kwantumgedrag van een ultrakoud atomair gas nauwkeurig te regelen, Natuurkundigen van Rice University hebben een modelsysteem gemaakt voor het bestuderen van het golffenomeen dat schurkengolven in de oceanen van de aarde kan veroorzaken.

Het onderzoek verschijnt deze week in Wetenschap . De onderzoekers zeiden dat hun experimentele systeem aanwijzingen zou kunnen geven over de onderliggende fysica van malafide golven - 30 meter hoge muren van water die het spul zijn van zeiloverleveringen, maar die pas in de afgelopen twee decennia wetenschappelijk werden bevestigd. Recent onderzoek heeft malafide golven gevonden, die zelfs de grootste schepen ernstig kan beschadigen en laten zinken, kan vaker voorkomen dan eerder werd aangenomen.

"We zijn geïnteresseerd in hoe zelfaantrekkende golven zich ontwikkelen, " zei hoofdwetenschapper Randy Hulet, Rice's Fayez Sarofim hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde. "Hoewel ons experiment zich in het kwantumdomein bevindt, dezelfde fysica is van toepassing op klassieke golven, inclusief schurkenstaten watergolven."

Hulet's lab gebruikt lasers en magnetische vallen om kleine wolken van een atomair gas af te koelen tot minder dan een miljoenste graad boven het absolute nulpunt. temperaturen die veel kouder zijn dan de diepste uithoeken van de ruimte. Bij dit uiterste, kwantummechanische effecten staan ​​centraal. Atomen kunnen worden gemaakt om in lockstep te marcheren, tijdelijk verdwijnen of paren als elektronen in supergeleiders. In 2002, Hulet's team creëerde de eerste "soliton-treinen" in ultrakoude atomaire materie. Solitonen nemen niet af, uitspreiden of van vorm veranderen terwijl ze bewegen. In 2014, Hulet en collega's toonden aan dat twee materiegolfsoltons die in tegengestelde richtingen in een val reizen, kortstondig uit het bestaan ​​zouden knipogen in plaats van ruimte te delen terwijl ze door elkaar gingen.

Zowel de bevindingen van 2002 als 2014 waren opmerkelijk vergelijkbaar met het gedrag dat werd waargenomen in watergolfsoltons in een kanaal in het midden van de 19e eeuw door de Schotse ingenieur John Scott Russell. Hij verloor nooit zijn fascinatie voor solitons en bouwde een modelgracht in de tuin achter zijn huis om ze te bestuderen. Bijvoorbeeld, hij was de eerste die aantoonde dat twee van de in tegengestelde richtingen bewegende golven door elkaar heen zouden gaan zonder interactie.

wiskundig, solitonen zijn het resultaat van een niet-lineaire aantrekkingskracht, een waarbij de input een onevenredig effect heeft op de output. En elk op golven gebaseerd niet-lineair systeem - of het nu golven van water in de diepe oceaan zijn of golven van ultrakoude atomen in een val - is onderhevig aan deze en andere universele niet-lineaire effecten.

Bij de laatste experimenten Hulet, onderzoekswetenschapper Jason Nguyen en afgestudeerde student De "Henry" Luo gebruikten weerzinwekkende interacties om een ​​sigaarvormige materiegolf te creëren die bekend staat als een Bose-Einstein-condensaat. Door de interacties snel aantrekkelijk te maken, de onderzoekers veroorzaakten dat het gas een "modulerende instabiliteit, " een niet-lineair effect waarbij kleine, willekeurige verstoringen in het systeem worden versterkt.

"De omstandigheden bepalen welke verstoringen worden versterkt, " zei Nguyen, de hoofdauteur van het nieuwe artikel. "Wanneer dit gebeurt, het Bose-Einstein-condensaat zal zich splitsen in een reeks afzonderlijke solitonen, gescheiden door discrete ruimtes."

De resulterende soliton-trein is wat het team van Hulet voor het eerst creëerde in 2002, maar Luo zei dat de nieuwe studie de eerste is die de onderliggende fysica van het systeem experimenteel onderzoekt om te bepalen of de structuur van een soliton-trein voortkomt uit de startomstandigheden of dynamisch evolueert naarmate het systeem op die omstandigheden reageert. Nguyen, Luo en Hulet konden deze vraag beantwoorden door de omstandigheden in hun experimenten systematisch te variëren en tijdens het experiment elke twee milliseconden snapshots te maken van de soliton-treinen.

"Wat we ontdekten was dat onder bepaalde omstandigheden, het aantal solitonen blijft ongewijzigd, " zei Luo. "Dit is het bewijs dat de soliton-trein wordt geboren met de kenmerken om stabiel te zijn in plaats van in de loop van de tijd tot zo'n stabiele structuur te evolueren."

In meer dan één onderzoek in de afgelopen tien jaar, natuurkundigen en wiskundigen hebben geprobeerd het gedrag van malafide golven te beschrijven met behulp van wiskunde die vergelijkbaar is met die welke wordt gebruikt om kwantumsystemen te beschrijven, en Hulet zei dat ultrakoude atomaire experimenten een ideaal platform bieden om nieuwe theorieën over de dynamiek van schurkenstaten te testen.

"Het zal moeilijk zijn om de precieze omstandigheden te herscheppen die een malafide solitongolf in de oceaan veroorzaken, zelfs in een grote golftank, Hulet zei. "Mensen proberen dat te doen, maar we kunnen inzicht krijgen in de vorming van solitonen door hun vorming in het kwantum te bestuderen, in plaats van klassiek, regime."