Quando il tuo cuore batte, il sangue scorre attraverso le arterie in ondate di pressione. Queste onde di pressione si manifestano come il tuo polso, un ritmo regolare non turbato dalla complessa struttura interna del corpo. Gli scienziati chiamano solitoni di onde così robuste, e in molti modi si comportano più come particelle discrete che come onde. La teoria del solitone può aiutare nella comprensione degli tsunami, che, a differenza di altre onde d'acqua, possono sostenersi su vaste distanze oceaniche.

I solitoni possono sorgere anche nel mondo quantistico. Alla maggior parte delle temperature, gli atomi di gas rimbalzano come palle da biliardo, scontrandosi tra loro e schizzando via in direzioni casuali, seguendo le regole della fisica classica. Vicino allo zero assoluto, però, certi tipi di atomi iniziano improvvisamente a comportarsi secondo le regole molto diverse della meccanica quantistica, e iniziare una sorta di danza coordinata. In condizioni incontaminate, solitoni possono emergere all'interno di questi fluidi quantistici ultrafreddi, sopravvivere per diversi secondi.

Curioso di sapere come si comportano i solitoni in condizioni tutt'altro che incontaminate, scienziati del Physical Measurement Laboratory del NIST, in collaborazione con ricercatori del Joint Quantum Institute (JQI), hanno aggiunto un po' di stress alla vita di un solitone. Hanno iniziato raffreddando una nuvola di atomi di rubidio. Proprio prima che il gas potesse assumere proprietà uniformi e diventare un fluido quantistico omogeneo, un campo magnetico a radiofrequenza ha persuaso una manciata di questi atomi a mantenere il loro classico, stato simile a una palla da biliardo. Quegli atomi sono, in effetti, "impurità" nella miscela atomica. Gli scienziati hanno quindi utilizzato la luce laser per separare gli atomi in una regione del fluido, creando un'onda solitaria di bassa densità, un solitone "oscuro".

In assenza di impurità, questa regione a bassa densità pulsa stabilmente attraverso il fluido ultrafreddo. Ma quando sono presenti impurità atomiche, il solitone oscuro si comporta come se fosse una particella pesante, con atomi di impurità leggere che rimbalzano su di esso. Queste collisioni rendono il movimento del solitone oscuro più casuale. Questo effetto ricorda le previsioni di Einstein del 1905 sul movimento casuale delle particelle, detto moto browniano.

Guidati da questo quadro, gli scienziati si aspettavano anche che le impurità agissero come attrito e rallentassero il solitone. Ma sorprendentemente, I solitoni oscuri non seguono completamente le regole di Einstein. Invece di trascinare giù il solitone, le collisioni lo hanno accelerato fino a un punto di destabilizzazione. Il limite di velocità del solitone è fissato dalla velocità del suono nel fluido quantistico, e dopo aver superato quel limite esplose in uno sbuffo di onde sonore.

Questo comportamento ha avuto senso solo dopo che i ricercatori hanno cambiato la loro prospettiva matematica e si sono ricordati di trattare il solitone come se avesse una massa negativa. Questo è un fenomeno bizzarro che si verifica per alcuni comportamenti collettivi di sistemi a molte particelle. Qui la massa negativa si manifesta con l'oscurità del solitone:è un tuffo nel fluido quantistico piuttosto che un alto impulso simile a uno tsunami. Le particelle con massa negativa rispondono alle forze di attrito opposte ai loro cugini ordinari, accelerare invece di rallentare.

"Tutte quelle ipotesi sul moto browniano sono finite per andare fuori dalla finestra. Nessuna di queste è stata applicata, "dice Hilary Hurst, uno studente laureato presso JQI e teorico principale sulla carta. "Ma alla fine avevamo una teoria che descriveva molto bene questo comportamento, che è davvero bello."

Lauren Aycock, autore principale della carta, ha lodato quello che ha visto come un feedback particolarmente forte tra teoria ed esperimento, aggiungendo che "è soddisfacente avere questo tipo di collaborazione di successo, dove la misurazione informa la teoria, che poi spiega i risultati sperimentali."

I solitoni nella terra degli atomi ultrafreddi sono intriganti, dire Aycock e Hurst, perché sono il più vicino possibile all'osservazione dell'interfaccia tra gli effetti quantistici e la fisica ordinaria della vita quotidiana. Esperimenti come questo possono aiutare a rispondere a un profondo enigma della fisica:dov'è il confine tra classico e quantistico? Inoltre, questo risultato potrebbe far luce su un problema simile con i solitoni nelle fibre ottiche, dove il rumore casuale può interrompere la tempistica precisa necessaria per la comunicazione su lunghe distanze.