Al controlar con precisión el comportamiento cuántico de un gas atómico ultrafrío, los físicos de la Universidad de Rice han creado un sistema modelo para estudiar el fenómeno de las olas que puede provocar ondas rebeldes en los océanos de la Tierra.
La investigación aparece esta semana en ciencia . Los investigadores dijeron que su sistema experimental podría proporcionar pistas sobre la física subyacente de las olas rebeldes: paredes de agua de 100 pies que son el material de la navegación, pero que solo se confirmaron científicamente en las últimas dos décadas.las olas, que pueden dañar severamente y hundir incluso los barcos más grandes, pueden ser más comunes de lo que se creía anteriormente.
"Estamos interesados en cómo se desarrollan las ondas auto-atrayentes", dijo el científico principal Randy Hulet, profesor de Física y Astronomía Fayez Sarofim de Rice. "Aunque nuestro experimento está en el dominio cuántico, la misma física se aplica a las ondas clásicas, incluido el pícaroolas de agua."
El laboratorio de Hulet usa rayos láser y trampas magnéticas para enfriar pequeñas nubes de un gas atómico a menos de una millonésima de grado por encima del cero absoluto, temperaturas mucho más frías que los alcances más profundos del espacio exterior. En este extremo, los efectos de la mecánica cuántica se centranLos átomos se pueden hacer marchar en el mismo paso, desaparecer momentáneamente o emparejarse como electrones en superconductores. En 2002, el equipo de Hulet creó los primeros "trenes de solitones" en materia atómica ultrafría. Los solitones no disminuyen, se extienden o cambian de forma a medida que avanzanEn 2014, Hulet y sus colegas demostraron que dos solitones de ondas de materia que viajan en direcciones opuestas en una trampa desaparecerían brevemente en lugar de compartir el espacio a medida que se cruzaban.
Los hallazgos de 2002 y 2014 fueron notablemente similares al comportamiento observado en solitones de ondas de agua en un canal a mediados del siglo XIX por el ingeniero escocés John Scott Russell. Nunca perdió su fascinación por los solitones y construyó un canal modelo en el jardíndetrás de su casa para estudiarlos. Por ejemplo, fue el primero en mostrar que dos de las olas que se movían en direcciones opuestas se atravesarían sin interacción.
Matemáticamente, los solitones son el resultado de una atracción no lineal, una donde las entradas tienen un efecto desproporcionado en la salida. Y cualquier sistema no lineal basado en ondas, ya sean ondas de agua en el océano profundo o ondas de átomos ultrafríos en untrampa: está sujeto a este y otros efectos universales no lineales.
En los últimos experimentos, Hulet, el científico investigador Jason Nguyen y el estudiante graduado De "Henry" Luo utilizaron interacciones repulsivas para crear una onda de materia en forma de cigarro conocida como condensado de Bose-Einstein. Al cambiar rápidamente las interacciones para que sean atractivas, elLos investigadores provocaron que el gas sufriera una "inestabilidad moduladora", un efecto no lineal en el que se amplifican pequeñas perturbaciones aleatorias en el sistema.
"Las condiciones determinan qué perturbaciones se amplifican", dijo Nguyen, el autor principal del nuevo artículo. "Cuando esto suceda, el condensado de Bose-Einstein se dividirá en un tren de solitones individuales separados por espacios discretos".
El tren de solitones resultante es lo que el equipo de Hulet creó por primera vez en 2002, pero Luo dijo que el nuevo estudio es el primero en probar experimentalmente la física subyacente del sistema para determinar si la estructura de un tren de solitones se deriva de las condiciones iniciales o si evoluciona dinámicamentea medida que el sistema reacciona a esas condiciones, Nguyen, Luo y Hulet pudieron responder a esta pregunta variando sistemáticamente las condiciones en sus experimentos y tomando instantáneas de los trenes de solitones cada dos milisegundos durante todo el experimento.
"Lo que descubrimos fue que, bajo ciertas condiciones, el número de solitones permanece sin cambios", dijo Luo. "Esto es evidencia de que el tren de solitones nace con las características de ser estable en lugar de evolucionar hacia una estructura tan estable a lo largo del tiempo"."
En más de un estudio en la última década, los físicos y matemáticos han tratado de describir el comportamiento de las ondas rebeldes utilizando matemáticas que son similares a las utilizadas para describir los sistemas cuánticos, y Hulet dijo que los experimentos atómicos ultrafríos proporcionan una plataforma ideal para probar nuevosteorías sobre la dinámica de las olas rebeldes
"Volver a crear las condiciones precisas que provocan una ola de solitones deshonesto en el océano va a ser difícil, incluso en un gran tanque de olas", dijo Hulet. "La gente está tratando de hacer eso, pero podemos obtener información sobre la formaciónde solitones estudiando su formación en el régimen cuántico, más que en el clásico ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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