Le strisce arancioni e gialle in questa immagine composita rappresentano onde di materia provenienti da diverse prove sperimentali nell'Hulet Lab della Rice University. Le strisce mostrano come le onde della materia cambiano a causa di rapidi spostamenti magnetici che determinano instabilità modulazionale. La linea di sinistra mostra un'onda di materia prima della commutazione magnetica. Le immagini successive (a sinistra) mostrano come sia le fluttuazioni repulsive che quelle attraenti si amplificano nell'onda. Segni evidenti di deviazioni dalla forma solida iniziale possono essere visti nella terza immagine, e i picchi e le valli nell'immagine all'estrema sinistra mostrano come l'onda si trasforma in un "treno di solitoni, ” una serie di onde stazionarie. Credito:Nguyen/Rice University
Controllando con precisione il comportamento quantistico di un gas atomico ultrafreddo, I fisici della Rice University hanno creato un sistema modello per studiare il fenomeno delle onde che possono provocare onde anomale negli oceani della Terra.
La ricerca appare questa settimana in Scienza . I ricercatori hanno affermato che il loro sistema sperimentale potrebbe fornire indizi sulla fisica sottostante delle onde anomale:muri d'acqua di 100 piedi che sono roba da tradizioni veliche ma sono stati confermati scientificamente solo negli ultimi due decenni. Recenti ricerche hanno trovato onde anomale, che può danneggiare gravemente e affondare anche le navi più grandi, potrebbe essere più comune di quanto si credesse in precedenza.
"Siamo interessati a come si sviluppano le onde che si attraggono, " ha detto il capo scienziato Randy Hulet, Fayez Sarofim di Rice, professore di fisica e astronomia. "Sebbene il nostro esperimento sia nel dominio quantistico, la stessa fisica si applica alle onde classiche, comprese le onde d'acqua anomale."
Il laboratorio di Hulet usa laser e trappole magnetiche per raffreddare minuscole nubi di un gas atomico a meno di un milionesimo di grado sopra lo zero assoluto, temperature molto più fredde delle profondità dello spazio. A questo estremo, gli effetti della meccanica quantistica sono al centro della scena. Gli atomi possono essere fatti marciare di pari passo, svaniscono momentaneamente o si accoppiano come gli elettroni nei superconduttori. Nel 2002, Il team di Hulet ha creato i primi "treni di solitoni" nella materia atomica ultrafredda. I solitoni non diminuiscono, allargarsi o cambiare forma mentre si muovono. Nel 2014, Hulet e colleghi hanno dimostrato che due solitoni di onde di materia che viaggiano in direzioni opposte in una trappola scomparirebbero per breve tempo invece di condividere lo spazio mentre si attraversavano l'un l'altro.
Una rappresentazione schematica di un'onda di materia unidimensionale (in alto) divisa in una serie di pacchetti d'onda separati chiamati solitoni (in basso), grazie a un rapido passaggio nelle interazioni non lineari da repulsive a auto-focalizzanti. Credito:J. Nguyen/Rice University
Sia i risultati del 2002 che quelli del 2014 erano notevolmente simili al comportamento osservato nei solitoni delle onde d'acqua in un canale a metà del XIX secolo dall'ingegnere scozzese John Scott Russell. Non ha mai perso il suo fascino per i solitoni e ha costruito un canale modello nel giardino dietro casa sua per studiarli. Per esempio, fu il primo a dimostrare che due delle onde che si muovevano in direzioni opposte si sarebbero incrociate senza interazione.
Matematicamente, i solitoni sono il risultato di un'attrazione non lineare, uno in cui gli input hanno un effetto sproporzionato sull'output. E qualsiasi sistema non lineare basato su onde, che si tratti di onde d'acqua nell'oceano profondo o onde di atomi ultrafreddi in una trappola, è soggetto a questo e ad altri effetti non lineari universali.
Negli ultimi esperimenti, Hulet, il ricercatore Jason Nguyen e lo studente laureato De "Henry" Luo hanno utilizzato interazioni repulsive per creare un'onda di materia a forma di sigaro nota come condensato di Bose-Einstein. Cambiando rapidamente le interazioni per essere attraenti, i ricercatori hanno fatto sì che il gas subisse una "instabilità modulazionale, " un effetto non lineare in cui piccoli, le perturbazioni casuali nel sistema vengono amplificate.
"Le condizioni individuano quali perturbazioni sono amplificate, " ha detto Nguyen, l'autore principale del nuovo articolo. "Quando questo accade, il condensato di Bose-Einstein si dividerà in un treno di solitoni individuali separati da spazi discreti."
Le immagini time-lapse di un treno di solitoni prese ogni due millisecondi mostrano come la struttura cambia nel tempo, grazie all'autofocus non lineare e a un effetto onda che impedisce la collisione dei solitoni vicini. Credito:J. Nguyen/Rice University
Il treno di solitoni risultante è ciò che il team di Hulet ha creato per la prima volta nel 2002, ma Luo ha affermato che il nuovo studio è il primo a sondare sperimentalmente la fisica sottostante del sistema per determinare se la struttura di un treno di solitoni deriva dalle condizioni di partenza o evolve dinamicamente mentre il sistema reagisce a tali condizioni. Nguyen, Luo e Hulet sono stati in grado di rispondere a questa domanda variando sistematicamente le condizioni nei loro esperimenti e scattando istantanee dei treni di solitoni ogni due millisecondi durante l'esperimento.
"Ciò che abbiamo scoperto è che in determinate condizioni, il numero di solitoni rimane invariato, " ha detto Luo. "Questa è la prova che il treno di solitoni nasce con le caratteristiche per essere stabile piuttosto che evolversi in una struttura così stabile nel tempo."
In più di uno studio nell'ultimo decennio, fisici e matematici hanno cercato di descrivere il comportamento delle onde anomale usando una matematica simile a quella usata per descrivere i sistemi quantistici, e Hulet ha affermato che gli esperimenti atomici ultrafreddi forniscono una piattaforma ideale per testare nuove teorie sulla dinamica delle onde anomale.
"Ricreare le condizioni precise che determinano un'onda di solitoni anomala nell'oceano sarà difficile, anche in un grande serbatoio di onde, " ha detto Hulet. "Le persone stanno cercando di farlo, ma possiamo ottenere informazioni sulla formazione dei solitoni studiando la loro formazione nel quanto, piuttosto che classico, regime."
