Jak rozchodzą się fale w kroplach kwantowych?

NIEZMIENNY SOLITON PODRÓŻUJE PRZEZ ŚWIAT

Solitony to samopodtrzymujące się fale, wywołane przez tzw. nieliniowe efekty w materii. Można je sobie wyobrazić jako przesuwające się zwiększenie (lub zmniejszenie) gęstości materii. Fale takie mogą rozchodzić się w bardzo różnych ośrodkach i znane są ze stabilności. Raz wzbudzony soliton podróżuje, nie zmieniając kształtu, na duże odległości (w teorii - nieskończenie długo). Nawet jeśli napotyka po drodze przeszkodę - pokonuje ją, a podróżująca dalej fala wygląda tak samo, jak wcześniej.

Solitony stosunkowo łatwo wzbudzić, obserwować i opisywać w wąskich i długich przestrzeniach - kanałach, rurkach, światłowodach.

"Najprostszym układem eksperymentalnym, w którym zaobserwowano solitony, był nadmorski kanał z wodą. Pierwsze eksperymenty sprzed ponad 100 lat polegały na tym, że konie szły wzdłuż brzegu kanału i ciągnęły po wodzie ciężar. Przy pewnych warunkach daje się w ten sposób wytworzyć pojedynczą falę - górkę na wodzie. Ona nie tylko porusza się równomiernie w kanale, ale i dalej ją widać, gdy wypływa z kanału daleko w morze” - opowiada prof. Krzysztof Pawłowski z CFT PAN. (przykłady można zobaczyć TU i TU).

"Solitony mogą się wydawać czymś bardzo ezoterycznym, ale to ważne zagadnienie w wielu gałęziach fizyki i matematyce" - opisuje prof. Pawłowski. Dodaje, że solitony mogą znaleźć zastosowanie w telekomunikacji - stabilne fale, które nie zmieniają kształtu, mogą przydać się bowiem w przesyłaniu informacji - np. w światłowodach.

KROPLA W KONDENSACIE POTRZEB

Solitony można uzyskać w różnych ciałach. A teraz zespół polskich teoretyków po raz pierwszy pokazał, że można będzie je uzyskać również w kroplach kwantowych - stanie materii znanym dopiero od kilku lat.

Prof. Pawłowski przypomina, że krople kwantowe po raz pierwszy zaobserwowano przypadkiem - w eksperymencie z 2016 r. z kondensatem Bosego-Einsteina (w grupie Tilmana Pfaua w Stuttgarcie).

KONDENSAT W KONCENTRACIE

Czym jest kondensat Bosego-Einsteina? "Każda cząstka jest falą i cząstką jednocześnie. Również atomy mają naturę falową, ale ich fale są ultrakrótkie - mają długość rzędu rozmiaru atomów. Okazuje się jednak, że jeśli temperatura jest bardzo niska, falowa natura atomów staje się wyraźniejsza – atom staje się bardziej „rozmyty”. Jeśli cząstek jest dużo i są bozonami, to ich fale się dodają, tworząc jedną makroskopową falę materii. Jedną funkcję falową współdzielą więc wszystkie cząstki. W standardowym materiale wiemy, gdzie który atom jest. A w kondensacie atomy są 'rozlane' - wypełniają całą objętość gazowej chmury" - opowiada fizyk, współautor publikacji.

Taki stan materii obserwowany był dotąd w ultrazimnych bardzo rozrzedzonych gazach, gdzie cząstki oddzielane są od otoczenia pułapkami elektromagnetycznymi.

"Kondensat to stan badany od kilkudziesięciu lat i nie oczekiwano, że jeszcze czymś nas tak zaskoczy" - opowiada naukowiec. Okazało się jednak, że kondensat w pewnych warunkach może dzielić się na podłużne lewitujące krople. Mają one kształt rurek o średnicy rzędu stu mikrometrów. "One wyglądają mniej więcej jak krople wody na stole: mają napięcie powierzchniowe i płaski wierzch" - opisuje naukowiec. Można więc wyobrazić sobie, że krople kwantowe to skroplony kondensat Bosego-Einsteina.

Na razie niewiele wiadomo o własnościach kropli kwantowych. Teoretycy sprawdzają jednak, co ciekawego można będzie w związku z nimi obserwować.

FALE W KROPLACH

Teraz zespół z Polski po raz pierwszy pokazał, że w kroplach kwantowych można będzie obserwować solitony. Jak się okazało, w kroplach kwantowych solitony mogą być dowolnie szerokie. To o tyle ciekawy wniosek, że solitony w kondensacie Bosego-Einsteina trudno obserwować na żywo, bo są bardzo wąskie.

"Jeśli ultrazimne gazy atomów mają własności magnetyczne, to przyjmujemy, że atomy są tam odpowiednio ułożone - pole magnetyczne tworzy cienką rurkę, w której znajdują się cząstki. W tak utworzonej rurce mogą poruszać się właśnie solitony. My zajmujemy się solitonami ciemnymi, które są widoczne jako rozrzedzenie materii wewnątrz rurki" - opisuje naukowiec.

Solitony w kondensacie miały dotąd szerokość rzędu części mikrometra, a więc poniżej rozdzielczości mikroskopów optycznych. Nie dałoby się więc zrobić im zdjęcia czy nagrać filmu. To się może zmienić, jeśli pod uwagę weźmie się krople kwantowe.

"W naszych badaniach pokazujemy, że w kroplach kwantowych można sterować szerokością solitonów. Mogą być one dowolnie szerokie" - mówi badacz. Ograniczeniem jest oczywiście rozmiar kropli kwantowej.

Pierwszy autor pracy Jakub Kopyciński, który robi doktorat w CFT PAN, wspomina, co czuł po kilku miesiącach prób rozwiązania równania opisującego zachowanie ultrazimnych atomów (równanie to mieściło się w zaledwie jednej linijce). "Rzuciłem wtedy w rozmowie: 'Nie sądzę, żeby ten wynik był wyjątkowo interesujący, ale chciałbym się zdziwić'. A kiedy potem zrobiłem w końcu wykres przedstawiający szerokość solitonu, otworzyłem szerzej oczy ze zdumienia. Nerwowo rzuciłem się do sprawdzania obliczeń, ale każde kolejne podejście kończyło się tym samym wnioskiem - szerokość tych solitonów można zmieniać właściwie w nieograniczonym zakresie" - opowiada Jakub Kopyciński.

"To wynik teoretyczny, czeka na potwierdzenie eksperymentalne. Mam jednak nadzieję, że szybko znajdą się grupy, które wytworzą w kroplach kwantowych solitony i je zmierzą" - mówi prof. Pawłowski.

Profesor pytany, czy taka niezwykła fala buja się wewnątrz kropli, czy może przeskakuje na inne pobliskie krople - mówi, że kiedy soliton przejdzie przez kroplę - nie zmienia kształtów i powinno się go dać zaobserwować w kolejnych kroplach na drodze tej fali.

Jakub Kopyciński komentuje zaś, że badanie tego obszaru wiedzy jest nie lada wyzwaniem, ale również jest bardzo motywujące. "To bardzo szybko rozwijająca się gałąź naszej dziedziny a każda kolejna cząstka wiedzy poprawia nasze rozumienie świata i może stanowić interesujący punkt wyjścia do kolejnych odkryć. Odkryć, które - mam taką nadzieję - znajdą kiedyś codzienne zastosowanie" - podsumowuje doktorant.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ zan/