مشاهده «باران کوانتومی» برای اولین بار

به گزارش ایسنا، گروهی از محققان اروپایی تشکیل خود به خودی قطرات را در یک گاز کوانتومی فوق رقیق مشاهده کرده‌اند که توسط اثرات کشش سطحی، مشابه با آنچه در مایعات کلاسیک ایجاد می‌شود، پدید می‌آید.

کشش سطحی فقط به مایعات معمولی محدود نمی‌شود. همچنین می‌تواند گازهای اتمی فوق سرد را به قطرات کوانتومی تبدیل کند.

این یک پدیده کاملاً نادر است، زیرا گازهای کوانتومی میلیون‌ها بار کمتر از مایعات چگالی دارند و معمولاً فاقد کشش سطحی مورد نیاز برای نگه داشتن قطرات در کنار هم هستند. تشکیل قطرات کوانتومی نشان می‌دهد که چیزی بسیار غیرعادی در چنین چگالی کمی اتفاق می‌افتد.

این یافته‌ها می‌تواند راه را برای روش‌های جدید برای کنترل و دستکاری ماده کوانتومی و کمک به توسعه مواد جدید و فناوری‌های کوانتومی هموار کند.

آشنایی با اصول کشش سطحی

قبل از عمیق شدن در مشاهدات انجام شده توسط محققان، ابتدا باید سه مفهوم به هم پیوسته را درک کنیم.

اولین مورد، کشش سطحی است که یک نیروی منسجم در سطح مایع است که مولکول‌های آن را به سمت هم می‌کشد. این امر به این دلیل رخ می‌دهد که مولکول‌های موجود در سطح به نسبت هوای بالا به شدت به یکدیگر جذب می‌شوند.

در نتیجه، مایع شکل‌هایی مانند قطرات به خود می‌گیرد تا سطح خود را به حداقل برساند. این پدیده مسئول تشکیل قطرات شبنم، حباب‌های صابون و قطرات باران است.

در برخی موارد، کشش سطحی منجر به ناپایداری مویرگی، اختلال در ستون‌های مایع می‌شود که در نهایت آنها را مجبور می‌کند تا به قطرات جداگانه تقسیم شوند و انرژی سطح را کاهش دهند.

شکل شناخته شده ناپایداری مویرگی، «ناپایداری پلاتو-ریلی»(Plateau-Rayleigh) است. این مفهوم در سال ۱۸۷۳ ارائه شد و توضیح می‌دهد که چگونه یک جریان استوانه‌ای مایع به دلیل کشش سطحی ناپایدار می‌شود و به قطرات تقسیم می‌شود.

این پدیده معمولاً در جریان‌های آب مشاهده می‌شود که هنگام سقوط به قطرات تبدیل می‌شوند. یک مثال روزمره از این جریان، جریان نازک آب از شیر آب است که هنگام سقوط به قطرات تبدیل می‌شود.

هر سه پدیده معمولاً در مایعات کلاسیک مشاهده می‌شوند، اما نویسندگان مطالعه وقوع آنها را در مخلوط فوق سردی از اتم‌های پتاسیم و روبیدیم نشان دادند. این احتمالاً اولین بار است که یک گاز اتمی چنین رفتاری از خود نشان می‌دهد.

بررسی ناپایداری مویرگی در یک گاز کوانتومی

نویسندگان این مطالعه مشاهده کردند که وقتی یک گاز کوانتومی فوق رقیق (مخلوط اتمی پتاسیم و روبیدیم) به دمای نزدیک به صفر مطلق رسید، در فاز گازی باقی ماند، اما در همان زمان خواص مایع‌مانندی از خود نشان داد و یک قطره کوانتومی منفرد را تشکیل داد.

سپس این قطره در یک مسیر ایجاد شده توسط لیزر قرار داده شد؛ جایی که به یک خط نازک کشیده شد. این قطره کوانتومی دراز، وقتی بیش از یک طول بحرانی کشیده شد، ناپایدار شد و به قطرات کوچک‌تر تبدیل شد.

نویسندگان مطالعه با استفاده از شبیه‌سازی‌های عددی و برخی آزمایش‌ها، این فرآیند را با جزئیات زیاد بررسی کردند و متوجه نوعی ناپایداری مویرگی در عمل شدند. آنها دریافتند که شکست به روشی شبیه به «ناپایداری پلاتو-ریلی» مایعات کلاسیک اتفاق افتاده است.

کیارا فورت(Chiara Fort)، یکی از نویسندگان این مطالعه و فیزیکدان دانشگاه فلورانس گفت: در حالی که «ناپایداری پلاتو-ریلی» در مایعات کلاسیک به خوبی شناخته شده است و در هلیوم ابر سیال نیز مشاهده شده است، پیش از این هرگز در گازهای اتمی دیده نشده بود.

محققان ادعا می‌کنند که اندازه‌گیری‌های آنها نه تنها شناخت از این فاز مایع غیر معمول را عمیق‌تر می‌کند، بلکه پتانسیل ایجاد آرایه‌های قطرات کوانتومی را نیز نشان می‌دهد که می‌تواند در فناوری‌های آینده مانند حسگرهای کوانتومی پیشرفته و شبیه‌سازها مفید باشد.

این مطالعه در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.