Команда Хьюлет задокументировала это странное явление в новом исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Nature Physics.БЭК представляют собой сгустки из нескольких сотен тысяч атомов лития, которые охлаждаются до одной миллионной градуса выше абсолютного нуля — температуры настолько низкой, что атомы маршируют синхронно и действуют как единая «материальная волна». Солитоны — это волны, которые не уменьшаются, не сглаживаются и не меняют форму при движении в пространстве. Чтобы сформировать солитоны, команда Хьюлета уговорила БЭК создать конфигурацию, в которой силы притяжения между атомами лития идеально уравновешивают квантовое давление, которое имеет тенденцию распространять их …
Исследователи ожидали увидеть свойство, состоящее в том, что пара сталкивающихся солитонов проходит сквозь друг друга, не замедляясь и не меняя формы. Однако они обнаружили, что при определенных столкновениях солитоны сближались друг с другом, сохраняли минимальный зазор между собой, а затем, казалось, отскакивали от столкновения.«Вы никогда не увидите их вместе», — сказал Хьюлет, профессор физики и астрономии Райс Файез Сарофим. «Всегда есть дыра, брешь, которую они должны перепрыгнуть. Они проходят друг через друга, но никогда не занимают одно и то же место, пока делают это.
«Это происходит из-за интерференции« волнового пакета », — сказал он. «Думайте о них как о волнах, которые могут иметь положительную или отрицательную амплитуду. Один из солитонов положительный, а другой отрицательный, поэтому они компенсируют друг друга. Вероятность того, что они окажутся в том месте, где они встречаются, равна нулю. Они проходят через это место, но вы их там никогда не увидите ".
Команда Хулета специализируется на экспериментах с БЭК и другими ультрахолодными веществами. Они используют лазеры как для улавливания, так и для охлаждения облаков газообразного лития до температур, которые настолько низки, что поведение вещества определяется фундаментальными силами природы, которые нельзя наблюдать при более высоких температурах.
Чтобы создать солитоны, Хьюлет и научный сотрудник докторантуры Джейсон Нгуен, ведущий автор исследования, уравновесили силы притяжения и отталкивания в БЭК.«Сначала мы делаем конденсат Бозе-Эйнштейна, а затем с помощью листа света разделяем конденсат пополам и раздвигаем две половинки», — сказал Нгуен. «Мы разделяем их и превращаем каждый из них в солитоны, а затем мы убираем лист и позволяем им упасть навстречу друг другу и столкнуться».
Камеры фиксировали изображения крошечных BEC на протяжении всего процесса. На изображениях два солитона колеблются взад и вперед, как маятники, колеблющиеся в противоположных направлениях.
Команда Хьюлета, в которую также входили аспирант Де Луо и бывший научный сотрудник, доктор наук Пол Дайк, задокументировала тысячи лобовых столкновений между парами солитонов и заметила странные пробелы в некоторых, но не во всех экспериментах.«Одна из определяющих черт солитонов состоит в том, что они должны быть способны проходить друг через друга и выходить невозмутимо», — сказал Хьюлет.
«Некоторые столкновения согласуются с этим», — сказал он, указывая на изображения двух солитонов, которые колеблются, встречаются, возникают и продолжают свой цикл. "Эти два солитона определенно прошли сквозь друг друга.«В другом наборе столкновений между ними всегда есть промежуток», — сказал он, указывая на другой набор изображений. «Не похоже, чтобы они когда-либо закрывали этот разрыв, чтобы пройти через него. На самом деле, похоже, что они сошлись вместе, а затем отскочили друг от друга».Хьюлет сказал, что идея о том, что солитоны отскакивают друг от друга, существует уже около 40 лет и основана на многолетних наблюдениях за оптическими солитонами в волоконно-оптических кабелях.
В этом сценарии разрыв рассматривается как свидетельство силы, которая раздвигает солитоны.Чтобы исследовать более глубоко, команде Хьюлета потребовалось провести новую серию экспериментов, сосредоточенных на одной определяющей особенности солитона, которую они не могли контролировать, — его фазе.Первый солитон был обнаружен в канале в Шотландии в 1834 году, и с тех пор они наблюдались в магнитах, оптоволоконных кабелях, атомных ядрах и даже в бассейнах.
Команда Хьюлета была одной из первых, кто сообщил о BEC "ярких солитонах материальной волны" в 2002 году.Подобно волнам в океане или световому лучу в оптоволоконном кабеле, солитоны имеют характерную амплитуду, частоту и фазу.
Команда Хьюлета могла управлять амплитудой, но не могла контролировать фазу солитона.«Все волны колеблются во времени», — сказал Хьюлет. «У них есть частота, при которой их амплитуда становится положительной, отрицательной, положительной, отрицательной и т. Д. Скорость этого колебания, частота его переключения определяет их частоту. То, где они начинают этот цикл, мы называем« фазой ». . ‘ Это своего рода отправная точка ».Фаза волны — это угол, который может варьироваться от нуля до 360 градусов. «Синфазные» волны имеют одну и ту же начальную точку, а волны, которые «не совпадают по фазе», отклоняются на 180 градусов, что означает, что одна начинается на пике, а другая — на впадине.
«Когда мы увидели исходные данные, мы сказали:« Это не имеет смысла, потому что солитоны всегда должны проходить друг через друга, а они вместо этого выглядят так, как будто они подпрыгивают », — сказал Хьюлет. «Поэтому мы начали думать о том, как пометить один из солитонов, чтобы выделить его, чтобы мы могли проследить его траекторию во времени и увидеть, что он делает».Команда нашла способ «пометить» один солитон, сделав его больше другого. В следующем раунде экспериментов Нгуен и Луо сделали снимки столкновений солитонов разного размера.
«Мы проводили этот эксперимент снова и снова для множества различных относительных фаз, и мы искали два случая: в одном относительная фаза была равна нулю или синфазна, а в другом — 180 градусов или полностью не совпадала по фазе, "Сказал Хьюлет.В случае синфазности, команда увидела, как два солитона проходят через друг друга и выходят наружу, как и предсказывает теория.«В случае рассогласования по фазе, с зазором, когда казалось, что они отскакивают друг от друга, мы все еще видели зазор, но мы также видели, как более крупный солитон невозмутимо появлялся на другой стороне зазора.
Другими словами, он прыгнул в брешь! "Хьюлет сказал, что эксперимент подтвердил теорию о том, что солитоны действительно проходят друг через друга, даже в тех случаях, когда они не совпадают по фазе и только кажутся отскакивающими друг от друга.Многие из событий, которые измеряет команда Хьюлета, происходят за одну тысячную секунды или меньше. Чтобы подтвердить, что «акт исчезновения» не вызвал крошечного взаимодействия между парами солитонов — взаимодействия, которое могло бы заставить их медленно рассеиваться с течением времени — команда Хьюлета отслеживала один из экспериментов почти целую секунду.Данные показали, что солитоны колеблются влево и вправо, мигая и исчезая из поля зрения каждый раз, когда пересекаются, без какого-либо измеримого эффекта.
«Это отличный пример случая, когда эксперименты с ультрахолодным веществом могут дать фундаментальное новое понимание», — сказал Хьюлет. «Фазозависимые эффекты были замечены в оптических экспериментах, но возникло неправильное понимание интерпретации этих наблюдений».Видео: http://youtu.be/iAJ7XvKzte8