Quando seu coração bate, o sangue corre nas veias em ondas de pressão. Essas ondas de pressão se manifestam como seu pulso, um ritmo regular não perturbado pela complexa estrutura interna do corpo. Os cientistas chamam essas ondas robustas de solitons, e de muitas maneiras, eles se comportam mais como partículas discretas do que como ondas. A teoria de Soliton pode ajudar na compreensão dos tsunamis, que - ao contrário de outras ondas de água - podem se sustentar por vastas distâncias oceânicas.

Os solitons também podem surgir no mundo quântico. Na maioria das temperaturas, átomos de gás saltam como bolas de bilhar, colidindo uns com os outros e disparando em direções aleatórias. Quase zero absoluto, Contudo, certos tipos de átomos de repente começam a se comportar de acordo com as regras muito diferentes da mecânica quântica, e começar uma espécie de dança coordenada. Sob condições primitivas, solitons podem emergir dentro desses fluidos quânticos ultracold, sobrevivendo por vários segundos.

Curioso sobre como os solitons se comportam em condições menos que imaculadas, cientistas do Laboratório de Medição Física do NIST, em colaboração com pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI), adicionaram um pouco de estresse à vida de um soliton. Eles começaram resfriando uma nuvem de átomos de rubídio. Pouco antes de o gás se tornar um fluido quântico homogêneo, um campo magnético de radiofrequência persuadiu um punhado desses átomos a reter seu clássico, estado semelhante a uma bola de bilhar. Esses átomos são, na verdade, impurezas na mistura atômica. Os cientistas então usaram luz laser para separar átomos em uma região do fluido, criando uma onda solitária de baixa densidade - um soliton "escuro".

Na ausência de impurezas, esta região de baixa densidade pulsa de forma estável através do fluido ultracold. Mas quando as impurezas atômicas estão presentes, o soliton escuro se comporta como se fosse uma partícula pesada, com átomos de impureza leves saltando dele. Essas colisões tornam o movimento do sótão escuro mais aleatório. Este efeito é uma reminiscência das previsões de Einstein de 1905 sobre o movimento aleatório das partículas, apelidado de movimento browniano.

Guiado por esta estrutura, os cientistas também esperavam que as impurezas agissem como fricção e desacelerassem o soliton. Mas, surpreendentemente, solitons escuros não seguem completamente as regras de Einstein. Em vez de arrastar o soliton para baixo, colisões o aceleraram a um ponto de desestabilização. O limite de velocidade do soliton é definido pela velocidade do som no fluido quântico, e ao ultrapassar esse limite, explodiu em uma nuvem de ondas sonoras.

Esse comportamento só fez sentido depois que os pesquisadores mudaram sua perspectiva matemática e trataram o soliton como se ele tivesse uma massa negativa. Este é um fenômeno peculiar que surge para certos comportamentos coletivos de sistemas de muitas partículas. Aqui, a massa negativa é manifestada pela escuridão do sótão - é um mergulho no fluido quântico, em vez de um pulso alto como o de um tsunami. Partículas com massa negativa respondem às forças de atrito opostas a seus primos comuns, acelerando em vez de desacelerar.

"Todas essas suposições sobre o movimento browniano acabaram saindo pela janela - nenhuma delas se aplicou, "diz Hilary Hurst, um estudante de pós-graduação na JQI e teórico principal no papel. "Mas, no final, tínhamos uma teoria que descreveu muito bem esse comportamento, o que é muito bom. "

Lauren Aycock, autor principal do artigo, elogiou o que ela viu como um feedback particularmente forte entre teoria e experimento, acrescentando que "é gratificante ter esse tipo de colaboração bem-sucedida, onde a medição informa a teoria, que então explica os resultados experimentais. "

Solitons na terra dos átomos ultracold são intrigantes, dizem Aycock e Hurst, porque eles estão o mais perto que você pode chegar de observar a interface entre os efeitos quânticos e a física comum da vida cotidiana. Experimentos como esse podem ajudar a responder a um enigma profundo da física:onde está a fronteira entre o clássico e o quântico? Além disso, este resultado pode lançar luz sobre um problema semelhante com solitons em fibras ópticas, onde o ruído aleatório pode interromper o tempo preciso necessário para a comunicação em longas distâncias.