Физики из Кембриджского университета впервые напрямую наблюдали, как распутываются квантовые вихри в ультрахолодном газе. Эксперимент, описанный в Physical Review Letters, подтвердил теорию «вихревой турбулентности Вайнена», предсказывающую образование хаотического клубка вихрей при формировании конденсата Бозе — Эйнштейна (BEC) и его постепенное распутывание. Об этом пишет издание Phys.org.
Когда облако атомов охлаждают почти до абсолютного нуля, оно переходит в состояние BEC — экзотической жидкости, где все атомы разделяют единое квантовое состояние. В отличие от обычной воды, вращение в такой жидкости сосредоточено в тонких нитевидных вихрях с квантованным потоком. Команда под руководством Себастьяна Морриса использовала новый метод визуализации, чтобы впервые увидеть эти вихри в трёхмерном газе и подсчитать их.
Учёные создали BEC из атомов калия в цилиндрической световой ловушке диаметром менее десятой доли миллиметра, затем возмутили газ и дали ему расслабиться. В разные моменты они выпускали газ, увеличивали его примерно в 3,5 раза и фотографировали тонкий срез облака — вихри выглядели как тёмные полосы. Повторяя процесс, исследователи оценили общую длину вихревых нитей на единицу объёма и проверили теоретический закон их убывания.
Плотность вихрей падала точно по предсказаниям турбулентности Вайнена: густые клубки распадались быстрее из-за взаимодействия соседних вихрей, а затем распад замедлялся, когда оставшиеся вихри терялись у стенок ловушки. Примечательно, что скорость распада не зависела от силы взаимодействия атомов, а с учётом разницы масс частиц совпала с измерениями в сверхтекучем гелии. Результаты подтверждают теоретические модели возникновения BEC из беспорядка и приближают понимание поведения квантовых жидкостей.