När ditt hjärta slår, blodbanor genom dina ådror i vågor av tryck. Dessa tryckvågor manifesteras som din puls, en regelbunden rytm som inte störs av kroppens komplexa inre struktur. Forskare kallar sådana robusta vågor solitoner, och på många sätt beter de sig mer som diskreta partiklar än vågor. Soliton -teorin kan hjälpa till att förstå tsunamier, som - till skillnad från andra vattenvågor - kan hålla sig över stora oceaniska avstånd.

Solitoner kan också uppstå i kvantvärlden. Vid de flesta temperaturer, gasatomer studsar runt som biljardbollar, kolliderar med varandra och skjuter iväg i slumpmässiga riktningar. Nära absolut noll, dock, vissa typer av atomer börjar plötsligt bete sig enligt de mycket olika reglerna för kvantmekanik, och börja en slags samordnad dans. Under orörda förhållanden, solitoner kan dyka upp i dessa ultrakylda kvantvätskor, överlever i flera sekunder.

Nyfiken på hur solitoner beter sig under mindre än orörda förhållanden, forskare vid NIST's Physical Measurement Laboratory, i samarbete med forskare vid Joint Quantum Institute (JQI), har lagt till lite stress i en solitons liv. De började med att kyla ner ett moln av rubidiumatomer. Strax innan gasen blev en homogen kvantvätska, ett radiofrekvent magnetfält lockade en handfull av dessa atomer till att behålla sin klassiska, biljardbollliknande tillstånd. Dessa atomer är, i själva verket, föroreningar i atomblandningen. Forskarna använde sedan laserljus för att skjuta isär atomer i ett område av vätskan, skapa en ensam våg med låg densitet - en "mörk" soliton.

I avsaknad av föroreningar, denna lågdensitetsregion pulserar stabilt genom den ultrakylda vätskan. Men när atomföroreningar är närvarande, den mörka solitonen beter sig som om det vore en tung partikel, med lätta föroreningsatomer som hoppar av det. Dessa kollisioner gör den mörka solitons rörelse mer slumpmässig. Denna effekt påminner om Einsteins 1905 -förutsägelser om randomiserad partikelrörelse, kallade Brownian motion.

Styrs av denna ram, forskarna förväntade sig också att orenheterna skulle verka som friktion och bromsa solitonen. Men överraskande nog, mörka solitoner följer inte helt Einsteins regler. Istället för att dra ner solitonen, kollisioner påskyndade den till en punkt av destabilisering. Solitons hastighetsbegränsning bestäms av ljudets hastighet i kvantvätskan, och efter att ha överskridit den gränsen exploderade den till en puff av ljudvågor.

Detta beteende var meningsfullt först efter att forskare ändrat sitt matematiska perspektiv och behandlat solitonen som om den har en negativ massa. Detta är ett udda fenomen som uppstår för vissa kollektiva beteenden hos många partikelsystem. Här manifesteras den negativa massan av solitonens mörker-det är ett dopp i kvantvätskan snarare än en hög tsunamiliknande puls. Partiklar med negativ massa reagerar på friktionskrafter motsatta sina vanliga kusiner, påskynda istället för att sakta ner.

"Alla dessa antaganden om brunisk rörelse hamnade i fönstret - inget av det gällde, "säger Hilary Hurst, en doktorand vid JQI och ledande teoretiker på pappret. "Men i slutet hade vi en teori som beskrev detta beteende mycket bra, vilket är riktigt trevligt. "

Lauren Aycock, huvudförfattare på tidningen, hyllade det hon såg som särskilt stark återkoppling mellan teori och experiment, tillägger att "det är tillfredsställande att ha denna typ av framgångsrikt samarbete, där mätning informerar teori, som sedan förklarar experimentella resultat. "

Solitoner i landet med ultrakylda atomer är spännande, säger Aycock och Hurst, eftersom de är så nära man kan komma att observera gränssnittet mellan kvanteffekter och den vanliga fysiken i vardagen. Experiment som detta kan hjälpa till att svara på en djup fysik gåta:var är gränsen mellan klassisk och kvant? Dessutom, detta resultat kan kasta ljus på ett liknande problem med solitoner i optiska fibrer, där slumpmässigt brus kan störa den exakta tidpunkten som behövs för kommunikation över långa avstånd.