Las franjas naranjas y amarillas en esta imagen compuesta representan ondas de materia de diferentes corridas experimentales en el Laboratorio Hulet de la Universidad Rice. Las franjas muestran cómo cambian las ondas de materia debido a los rápidos cambios magnéticos que provocan inestabilidad modulacional. La línea izquierda muestra una onda de materia antes de la conmutación magnética. Las imágenes posteriores (a la izquierda) muestran cómo las fluctuaciones tanto repulsivas como atractivas se amplifican en la onda. Se pueden ver signos claros de desviaciones de la forma sólida inicial en la tercera imagen, y los picos y valles de la imagen del extremo izquierdo muestran cómo la onda se transforma en un "tren de solitones, ”Un conjunto de ondas estacionarias. Crédito:Universidad Nguyen / Rice
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 olas rebeldes en los océanos de la Tierra.
La investigación aparece esta semana en Ciencias . 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 materia de la tradición de la navegación pero que solo se confirmaron científicamente en las últimas dos décadas. Investigaciones recientes han encontrado ondas rebeldes, que puede dañar gravemente y hundir incluso a los barcos más grandes, puede ser más común de lo que se creía anteriormente.
"Estamos interesados en cómo se desarrollan las ondas que se atraen a sí mismas, "dijo el científico principal Randy Hulet, Fayez Sarofim, profesor de Física y Astronomía de Rice. "Aunque nuestro experimento está en el dominio cuántico, la misma física se aplica a las ondas clásicas, incluyendo olas de agua rebeldes ".
El laboratorio de Hulet utiliza láseres 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 confines más profundos del espacio exterior. En este extremo los efectos de la mecánica cuántica ocupan un lugar central. Se puede hacer que los átomos marchen al unísono, desaparecen momentáneamente o se emparejan como electrones en superconductores. En 2002, El equipo de Hulet creó los primeros "trenes solitones" en materia atómica ultra fría. Los solitones no disminuyen, se extienden o cambian de forma a medida que se mueven. En 2014, Hulet y sus colegas demostraron que dos solitones de ondas de materia que viajan en direcciones opuestas en una trampa desaparecerían brevemente de la existencia en lugar de compartir el espacio a medida que se atraviesan.
Una representación esquemática de una onda de materia unidimensional (arriba) que se divide en una serie de paquetes de ondas separados llamados solitones (abajo), gracias a un cambio rápido en las interacciones no lineales de repulsivas a autoenfocadas. Crédito:J. Nguyen / Rice University
Tanto los hallazgos de 2002 como los de 2014 fueron notablemente similares al comportamiento observado en los 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 jardín detrás de su casa para estudiarlos. Por ejemplo, fue el primero en demostrar que dos de las ondas que se mueven en direcciones opuestas se atravesarían sin interacción.
Matemáticamente, los solitones son el resultado de una atracción no lineal, uno donde las entradas tienen un efecto desproporcionado en la salida. Y cualquier sistema no lineal basado en ondas, ya sean ondas de agua en las profundidades del océano u ondas de átomos ultrafríos en una trampa, está sujeto a este y otros efectos no lineales universales.
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 con forma de cigarro conocida como condensado de Bose-Einstein. Al cambiar rápidamente las interacciones para que sean atractivas, los investigadores hicieron que el gas sufriera una "inestabilidad modulacional, "un efecto no lineal en el que pequeños, las perturbaciones aleatorias en el sistema se amplifican.
"Las condiciones seleccionan qué perturbaciones se amplifican, "dijo Nguyen, el autor principal del nuevo artículo. "Cuando esto pasa, el condensado de Bose-Einstein se dividirá en un tren de solitones individuales separados por espacios discretos ".
Imágenes de lapso de tiempo de un tren de solitones tomadas cada dos milisegundos muestran cómo cambia la estructura a través del tiempo, gracias al autoenfoque no lineal y un efecto de onda que evita que los solitones vecinos choquen. Crédito:J. Nguyen / Rice University
El tren solitón 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 sondear experimentalmente la física subyacente del sistema para determinar si la estructura de un tren de solitones se deriva de las condiciones iniciales o evoluciona dinámicamente a medida que el sistema reacciona a esas condiciones. Nguyen, Luo y Hulet pudieron responder esta pregunta variando sistemáticamente las condiciones en sus experimentos y tomando instantáneas de los trenes de solitones cada dos milisegundos a lo largo del experimento.
"Lo que descubrimos fue que, en determinadas condiciones, el número de solitones permanece sin cambios, "Dijo Luo." Esto es evidencia de que el tren solitón nace con las características de ser estable en lugar de evolucionar hacia una estructura tan estable con el tiempo ".
En más de un estudio durante la última década, Los físicos y matemáticos han intentado describir el comportamiento de las ondas rebeldes utilizando matemáticas que son similares a las que se utilizan para describir los sistemas cuánticos. y Hulet dijo que los experimentos atómicos ultrafríos proporcionan una plataforma ideal para probar nuevas teorías sobre la dinámica de las ondas rebeldes.
"Recrear las condiciones precisas que provocan una ola de solitones en el océano va a ser difícil, incluso en un tanque de olas grandes, ", Dijo Hulet." La gente está tratando de hacer eso, pero podemos obtener información sobre la formación de solitones estudiando su formación en el cuanto, en lugar de clásico, régimen."
