As listras laranja e amarelas nesta imagem composta representam ondas de matéria de diferentes execuções experimentais no Hulet Lab na Rice University. As listras mostram como as ondas de matéria mudam devido a rápidas mudanças magnéticas que causam instabilidade modulacional. A linha esquerda mostra uma onda de matéria antes da comutação magnética. As imagens subsequentes (à esquerda) mostram como flutuações repulsivas a atraentes se tornam amplificadas na onda. Sinais claros de desvios da forma sólida inicial podem ser vistos na terceira imagem, e os picos e vales na imagem à esquerda mostram como a onda se transforma em um "trem de soliton, ”Um conjunto de ondas estacionárias. Crédito:Nguyen / Rice University
Ao controlar com precisão o comportamento quântico de um gás atômico ultracold, Os físicos da Rice University criaram um sistema modelo para estudar o fenômeno das ondas que podem causar ondas rebeldes nos oceanos da Terra.
A pesquisa aparece esta semana em Ciência . Os pesquisadores disseram que seu sistema experimental pode fornecer pistas sobre a física subjacente às ondas traiçoeiras - paredes de água de 30 metros que são o material da tradição náutica, mas só foram confirmadas cientificamente nas últimas duas décadas. Uma pesquisa recente encontrou ondas traiçoeiras, que pode danificar gravemente e afundar até mesmo os maiores navios, pode ser mais comum do que se acreditava anteriormente.
"Estamos interessados em como as ondas autoatrativas se desenvolvem, "disse o cientista-chefe Randy Hulet, Fayez Sarofim, Professor de Física e Astronomia de Rice. "Embora nosso experimento seja no domínio quântico, a mesma física se aplica às ondas clássicas, incluindo ondas de água desonestas. "
O laboratório de Hulet usa lasers e armadilhas magnéticas para resfriar pequenas nuvens de um gás atômico a menos de um milionésimo de grau acima do zero absoluto, temperaturas muito mais frias do que as regiões mais profundas do espaço sideral. Neste extremo, efeitos da mecânica quântica ocupam o centro do palco. Os átomos podem ser feitos para marchar em sincronia, desaparecem momentaneamente ou se emparelham como elétrons em supercondutores. Em 2002, A equipe de Hulet criou os primeiros "trens de soliton" em matéria atômica ultracold. Solitons não diminuem, espalhe ou mude de forma conforme eles se movem. Em 2014, Hulet e seus colegas mostraram que dois solitons de onda de matéria viajando em direções opostas em uma armadilha desapareceriam brevemente da existência em vez de dividir o espaço ao passarem um pelo outro.
Uma representação esquemática de uma onda de matéria unidimensional (parte superior) que é dividida em uma série de pacotes de ondas separados chamados solitons (parte inferior), graças a uma rápida mudança nas interações não lineares de repulsiva para focalização automática. Crédito:J. Nguyen / Rice University
As descobertas de 2002 e 2014 foram notavelmente semelhantes ao comportamento observado em solitons de ondas de água em um canal em meados do século 19 pelo engenheiro escocês John Scott Russell. Ele nunca perdeu seu fascínio pelos solitons e construiu um modelo de canal no jardim atrás de sua casa para estudá-los. Por exemplo, ele foi o primeiro a mostrar que duas das ondas que se moviam em direções opostas passariam uma pela outra sem interação.
Matematicamente, solitons são o resultado de uma atração não linear, aquele em que as entradas têm um efeito desproporcional na saída. E qualquer sistema não linear baseado em ondas - sejam ondas de água nas profundezas do oceano ou ondas de átomos ultrafrios em uma armadilha - está sujeito a este e a outros efeitos não lineares universais.
Nos últimos experimentos, Hulet, o cientista pesquisador Jason Nguyen e o estudante graduado De "Henry" Luo usaram interações repulsivas para criar uma onda de matéria em forma de charuto conhecida como condensado de Bose-Einstein. Ao mudar rapidamente as interações para serem atraentes, os pesquisadores fizeram com que o gás passasse por uma "instabilidade modulacional, "um efeito não linear em que pequeno, perturbações aleatórias no sistema tornam-se amplificadas.
"As condições escolhem quais perturbações são amplificadas, "disse Nguyen, o principal autor do novo artigo. "Quando isso acontece, o condensado de Bose-Einstein se dividirá em uma seqüência de solitons individuais separados por espaços discretos. "
Imagens de lapso de tempo de um trem de soliton tiradas a cada dois milissegundos mostram como a estrutura muda ao longo do tempo, graças ao auto-foco não linear e um efeito de onda que impede a colisão de solitons vizinhos. Crédito:J. Nguyen / Rice University
O trem soliton resultante é o que a equipe de Hulet criou pela primeira vez em 2002, mas Luo disse que o novo estudo é o primeiro a sondar experimentalmente a física subjacente do sistema para determinar se a estrutura de um trem de soliton deriva das condições iniciais ou evolui dinamicamente conforme o sistema reage a essas condições. Nguyen, Luo e Hulet foram capazes de responder a essa pergunta variando sistematicamente as condições em seus experimentos e tirando fotos dos trens de soliton a cada dois milissegundos durante o experimento.
"O que descobrimos foi que, sob certas condições, o número de solitons permanece inalterado, "Luo disse." Esta é a evidência de que o trem de soliton nasce com as características de ser estável, em vez de evoluir para uma estrutura estável com o tempo. "
Em mais de um estudo na última década, físicos e matemáticos tentaram descrever o comportamento de ondas errantes usando matemática semelhante à usada para descrever sistemas quânticos, e Hulet disse que os experimentos atômicos ultracold fornecem uma plataforma ideal para testar novas teorias sobre a dinâmica das ondas desonestos.
"Será difícil recriar as condições precisas que geram uma onda de soliton traiçoeira no oceano, mesmo em um grande tanque de ondas, "Hulet disse." As pessoas estão tentando fazer isso, mas podemos obter insights sobre a formação de solitons estudando sua formação no quantum, ao invés de clássico, regime."
