Неустойчивость Рэлея — Плато заставила квантовую жидкость разделиться на капли

Физики увидели, как квантовая жидкость, состоящая из атомов калия-41 и рубидия-87, разделилась в волноводе на несколько отдельных капель. Такой эффект ученые объяснили аналогом классической неустойчивости Рэлея — Плато: когда длина единичной капли достигает критического значения, она распадается на несколько фрагментов, чтобы минимизировать свою поверхностную энергию. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Letters.

Если взять макроскопическое количество вырожденного ультрахолодного газа температурой менее кельвина, то в итоге получится квантовая жидкость — состояние вещества, при котором поведение материи описывается законами квантовой физики. Когда в этой жидкости отталкиванию атомов противостоит диполь-дипольное притяжение, вещество разделяется на отдельные капли: такое явление физики уже наблюдали, например, в гетероядерной смеси натрия-23 и рубидия-87.

Несмотря на большой интерес к изучению динамики подобных объектов, исследователям мешает эффект столкновения трех тел, который существенно сокращает время жизни капли. Однако не так давно ученые обнаружили, что для капель, состоящих из калия-41 и рубидия-87, это время достигает порядка десятков миллисекунд, чего достаточно для изучения свойств необычного вида материи.

Кьяра Форт (Chiara Fort) из Университета Флоренции совместно со своими коллегами из Испании и Италии запустила квантовую каплю ⁴¹K-⁸⁷Rb в волновод и обнаружила ее распад на несколько капель меньшего размера при введении в систему неустойчивости в виде градиента магнитного поля во времени.

Чтобы получить квантовую жидкость из смеси калия и рубидия, физики взяли примерно четыреста тысяч атомов обоих видов и поместили их в оптическую ловушку из двух лазеров, излучающих на длине волны 1064 нанометров. Динамические возмущения материи авторы работы возбудили линейным изменением магнитного поля со скоростью 0,22 гаусса в миллисекунду, а за поведением капли исследователи наблюдали с помощью камеры с разрешением примерно полтора микрометра.

В результате физики увидели, как капля в первые 15 миллисекунд изменения магнитного поля аксиально расширилась, а затем распалась на две части, которые отдалились друг от друга. При большем количестве атомов квантовая капля распалась уже на несколько фрагментов, причем количество новых капель было пропорционально количеству атомов калия-41, которые исследователи поместили в ловушку.

Ученые предположили, что причиной такого поведения квантовой жидкости в волноводе может быть капиллярная неустойчивость, которая возникает как в обычных системах, так и в ядерной материи. Физики модифицировали модель классической неустойчивости Рэлея — Плато, суть которой состоит в том, что при достижении некоторой критической длины поток жидкости в невесомости разбивается на капли, чтобы сократить поверхностную энергию за счет уменьшения своей площади. Когда длина растягивающейся квантовой капли приблизилась к значению в девять своих радиусов (примерно 7,65 микрометра), соответствующая мода нестабильности выросла с экспоненциальной скоростью, и как только амплитуда этой моды достигла радиуса капли, последняя распалась на несколько частей, количество которых оказалось прямо пропорционально длине материнской капли.

Авторы работы отметили, что дальнейшим шагом в исследовании гидродинамической неустойчивости квантовой жидкости должно стать изучение ее когерентных свойств, а также роли капель в том, как идет формирование сверхтвердой материи из гетероядерных смесей атомов.

О том, как физики заперли свет между зеркал и охладили до комнатной температуры, чтобы получить конденсат Бозе — Эйнштейна, мы писали ранее.