Natuurkundigen in de Verenigde Staten, Oostenrijk en Brazilië hebben aangetoond dat het schudden van ultrakoude Bose-Einstein-condensaten (BEC's) ervoor kan zorgen dat ze zich in uniforme segmenten verdelen of in onvoorspelbare splinters uiteenvallen. afhankelijk van de frequentie van het schudden.

"Het is opmerkelijk dat hetzelfde kwantumsysteem aanleiding kan geven tot zulke verschillende fenomenen, " zei de natuurkundige Randy Hulet van Rice University, co-auteur van een studie over het werk dat vandaag online in het tijdschrift is gepubliceerd Fysieke beoordeling X . Het laboratorium van Hulet voerde de experimenten van het onderzoek uit met lithium-BEC's, minuscule wolken van ultrakoude atomen die in lockstep marcheren alsof ze een enkele entiteit zijn, of materiegolf. "De relatie tussen deze toestanden kan ons veel leren over complexe kwantum-veellichamenverschijnselen."

Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met natuurkundigen van de Oostenrijkse Technische Universiteit van Wenen (TU Wien) en de Braziliaanse Universiteit van São Paulo in São Carlos.

De experimenten komen overeen met de ontdekking van Michael Faraday in 1831 dat rimpelpatronen werden gecreëerd op het oppervlak van een vloeistof in een emmer die verticaal werd geschud bij bepaalde kritische frequenties. De patronen, bekend als Faraday-golven, zijn vergelijkbaar met resonantiemodi die zijn gemaakt op drumvellen en trilplaten.

Om de golven van Faraday te onderzoeken, het team beperkte BEC's tot een lineaire eendimensionale golfgeleider, resulterend in een sigaarvormige BEC. De onderzoekers schudden vervolgens de BEC's met een zwakke, langzaam oscillerend magnetisch veld om de sterkte van interacties tussen atomen in de 1D-golfgeleider te moduleren. Het Faraday-patroon ontstond toen de modulatiefrequentie werd afgestemd in de buurt van een collectieve modusresonantie.

Maar het team merkte ook iets onverwachts op:toen de modulatie sterk was en de frequentie ver onder een Faraday-resonantie lag, de BEC brak in "korrels" van verschillende grootte. Rijstonderzoeker Jason Nguyen, hoofdco-auteur van de studie, ontdekte dat de korrelgroottes breed verspreid waren en zelfs langer aanhielden dan de modulatietijd.

"Granulatie is meestal een willekeurig proces dat wordt waargenomen in vaste stoffen zoals het breken van glas, of het verpulveren van een steen tot korrels van verschillende grootte, " zei co-auteur van de studie Axel Lode, die gezamenlijke aanstellingen heeft aan zowel de TU Wien als het Wolfgang Pauli Instituut van de Universiteit van Wenen.

Afbeeldingen van de kwantumtoestand van de BEC waren identiek in elk Faraday-golfexperiment. Maar in de granulatie-experimenten zagen de foto's er elke keer totaal anders uit, hoewel de experimenten onder identieke omstandigheden werden uitgevoerd.

Lode zei dat de variatie in de granulatie-experimenten voortkwam uit kwantumcorrelaties - gecompliceerde relaties tussen kwantumdeeltjes die wiskundig moeilijk te beschrijven zijn.

"Een theoretische beschrijving van de waarnemingen bleek een uitdaging omdat standaardbenaderingen de waarnemingen niet konden reproduceren, met name de brede spreiding van korrelgroottes, " zei Lode. Zijn team hielp bij het interpreteren van de experimentele resultaten met behulp van een geavanceerde theoretische methode, en de implementatie ervan in software, die verantwoordelijk waren voor kwantumfluctuaties en correlaties die typische theorieën niet behandelen.

Hulet, Rice's Fayez Sarofim hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde, en lid van het Rice Centre for Quantum Materials (RCQM), zei dat de resultaten belangrijke implicaties hebben voor onderzoek naar turbulentie in kwantumvloeistoffen, een onopgelost probleem in de natuurkunde.