När ditt hjärta slår, blodet rinner genom dina artärer i tryckvågor. Dessa tryckvågor manifesterar sig som din puls, en regelbunden rytm som inte störs av kroppens komplexa inre struktur. Forskare kallar sådana robusta vågor för solitoner, och på många sätt beter de sig mer som diskreta partiklar än vågor. Soliton-teorin kan hjälpa till att förstå tsunamis, som – till skillnad från andra vattenvågor – kan upprätthålla sig själva över stora oceaniska avstånd.

Solitoner kan också uppstå i kvantvärlden. Vid de flesta temperaturer, gasatomer studsar runt som biljardbollar, kolliderar med varandra och rusar iväg i slumpmässiga riktningar, följa den klassiska fysikens regler. Nära absoluta noll, dock, vissa typer av atomer börjar plötsligt bete sig enligt kvantmekanikens mycket olika regler, och börja en sorts koordinerad dans. Under orörda förhållanden, solitoner kan dyka upp inuti dessa ultrakalla kvantvätskor, överlevde i flera sekunder.

Nyfiken på hur solitoner beter sig i 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 till en solitons liv. De började med att kyla ner ett moln av rubidiumatomer. Precis innan gasen kunde anta enhetliga egenskaper och bli en homogen kvantvätska, ett radiofrekvent magnetfält lockade en handfull av dessa atomer att behålla sin klassiska, biljardbollsliknande tillstånd. Dessa atomer är, i själva verket, "orenheter" i atomblandningen. Forskarna använde sedan laserljus för att trycka isär atomer i en region av vätskan, skapar en ensam våg med låg densitet - en "mörk" soliton.

I frånvaro av föroreningar, denna lågdensitetsregion pulserar stabilt genom den ultrakalla vätskan. Men när atomära föroreningar är närvarande, den mörka solitonen beter sig som om den vore en tung partikel, med lätta föroreningsatomer som studsar av den. Dessa kollisioner gör den mörka solitons rörelse mer slumpmässig. Denna effekt påminner om Einsteins 1905 förutsägelser om randomiserade partikelrörelser, dubbad Brownsk rörelse.

Guidad av detta ramverk, forskarna förväntade sig också att föroreningarna skulle fungera som friktion och sakta ner solitonen. Men överraskande nog, mörka solitoner följer inte helt Einsteins regler. Istället för att dra ner solitonen, kollisioner accelererade det till en punkt av destabilisering. Solitonens hastighetsgräns bestäms av ljudets hastighet i kvantvätskan, och när den överskred den gränsen exploderade den till en puff av ljudvågor.

Detta beteende var vettigt först efter att forskare ändrade sitt matematiska perspektiv och kom ihåg att behandla solitonen som om den hade 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 motsatt sina vanliga kusiner, snabbare istället för att sakta ner.

"Alla dessa antaganden om Brownsk rörelse slutade med att de gick ut genom fönstret. Inget av det gällde, säger Hilary Hurst, en doktorand vid JQI och ledande teoretiker på tidningen. "Men i slutet hade vi en teori som beskrev detta beteende väldigt bra, vilket är riktigt skönt."

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

Solitoner i de ultrakalla atomernas land är spännande, säg Aycock och Hurst, eftersom de är så nära man kan komma att observera gränssnittet mellan kvanteffekter och vardagslivets vanliga fysik. Experiment som detta kan hjälpa till att besvara en djup fysikgåta:var går gränsen mellan klassiskt och kvantum? Dessutom, detta resultat kan kasta ljus över ett liknande problem med solitoner i optiska fibrer, där slumpmässigt brus kan störa den exakta timing som behövs för kommunikation över långa avstånd.