برای نخستین بار، مشاهده شده که قطراتی در یک سیال تباهیدهی بسیار سرد از ایزوتوپهای پتاسیم و روبیدیوم به شکلی شبیه به «باران کوانتومی» متلاشی میشوند؛ پدیدهای که پلی میان دنیای کلاسیک دینامیک سیالات و چشمانداز اسرارآمیز گازهای اتمی ایجاد میکند.
تیمی از پژوهشگران از اسپانیا و ایتالیا ویژگیهای گاز اتمی در حال فروپاشی را بررسی کردهاند تا درک فعلی از رفتار مایعات کوانتومی را گسترش دهند؛ درکی که شاید به ما در کنترل بهتر این مواد یاری رساند.
لوکا کاویچیولی، نویسندهی اول این مطالعه و فیزیکدان ماده چگال از مؤسسه ملی اپتیک ایتالیا میگوید:
«اندازهگیریهای ما نه تنها درک فاز مایع عجیب و غریب کوانتومی را پیش برده، بلکه امکان ساخت آرایههایی از قطرات کوانتومی را برای کاربردهای آینده در فناوریهای کوانتومی نشان داده است.»
تماشای بارانی که قطرههای آب را به شیشهی پنجره میکوبد، شعریست که به زبان فیزیک سروده شده. هر قطرهی مایع با پوستهای از کشش سطحی محدود میشود و در حین حرکت با نیروی گرانش، گاه به هم میپیوندند، گاه جدا میشوند و بار دیگر ترکیب میشوند.
این حرکات عمدتاً ناشی از کشمکش بین نیروهای مولکولی هستند؛ پدیدهای که به نام «ناپایداری پلاتو-ریلی» شناخته میشود.
عدم تعادل ظریفی در بارهای الکتریکی اتمهای هیدروژن و اکسیژن در مولکولهای آب، اثری دوقطبی ایجاد میکند که با بارهای موجود در آب و شیشه برهمکنش میکنند تا قطرات بزرگتر را به قطرات کوچکتر بشکنند یا قطرات کوچک را در هم جمع کنند و قطراتی بزرگ و فشرده بسازند که کمترین سطح تماس را داشته باشند.
در حالی که اتمهای آب از ساختارهای مجزا شامل الکترونها و هستهها تشکیل شدهاند، اتمها در یک گاز فوقسرد هویت فردی خود را از دست میدهند. در این حالت، احتمالهای کوانتومی بر رفتار سیستم حاکم میشوند و بوزونها به شکل ابری یکپارچه درمیآیند که دیگر نمیتوان آنها را به عنوان ذرات نقطهای تصور کرد.
با این حال، این به معنای نبود نیروهای متضاد در گاز اتمی نیست. برخلاف توزیع یکنواخت انرژی در این ابر، نوساناتی در چیدمان پتانسیل ابر ایجاد میشود که منجر به دافعهای به نام «تصحیح لی-هوانگ-یانگ» میگردد.
این تنش میتواند موجب ایجاد قطراتی کوچک در گازهای اتمی شود؛ قطراتی که بسته به نوع بوزونها و حالتهای ذرات، اندازه و شکل متفاوتی دارند.
پیشتر نیز قطرات کوانتومی مشاهده و بررسی شدهاند، اما عمر کوتاه آنها مطالعهشان را دشوار کرده است.
پژوهشگران این آزمایش جدید با بررسی قطرات کوانتومی که برای چند ده میلیثانیه در ابرهای فوقسرد پتاسیم-۴۱ و روبیدیوم-۸۷ باقی میماندند، نقطهی شروعی برای آزمودن رفتار آنها یافتند.
با رها کردن این مایع کوانتومی در کانالی به نام موجبر، که ماهیت موجمانند مخلوط را محدود میکند، آنها مشاهده کردند که چندین قطره تشکیل میشود — چیزی شبیه به یک «باران» واقعی از فعالیت کوانتومی.
ب) زمانبندی ناپایداریهایی که برای فروپاشی به گاز فوقسرد اعمال شدهاند.
ج) دادههای جذب مربوط به پتاسیم، که زمان وقوع فروپاشی را بر حسب میلیثانیه نشان میدهند.
(کاویچیولی و همکاران، Physical Review Letters، ۲۰۲۵)
شکل قطرات به حالت پایهی انرژی آنها وابسته بود و طولشان با تغییرات در تعداد اتمها تعیین میشد.
دینامیک نتایج این آزمایش با پیشبینیهای نظری مطابقت داشت و به پژوهشگران پایهای تجربی برای ابزارهایی داد که میتوانند در فهم بهتر شباهت میان پدیدههای کوانتومی و جهان روزمرهی ما مفید باشند.
کیا را فورت، فیزیکدان دانشگاه فلورانس، میگوید:
«با ترکیب آزمایشها و شبیهسازیهای عددی، توانستیم فرآیند فروپاشی یک قطره کوانتومی را با مفهومی به نام ناپایداری مویینگی توصیف کنیم. ناپایداری پلاتو–ریلی پدیدهای رایج در مایعات کلاسیک است که در هلیوم ابرسیال نیز مشاهده شده، اما تاکنون در گازهای اتمی دیده نشده بود.»
این پژوهش در مجلهی Physical Review Letters منتشر شده است.