Genom att exakt kontrollera kvantbeteendet för en ultrakyld atomgas, Rice -universitetets fysiker har skapat ett modellsystem för att studera vågfenomenet som kan leda till skurkvågor i jordens hav.

Forskningen visas den här veckan i Vetenskap . Forskarna sa att deras experimentella system skulle kunna ge ledtrådar om den underliggande fysiken för oseriösa vågor-100 fot vattenväggar som är segelfartyg men som bara bekräftades vetenskapligt under de senaste två decennierna. Ny forskning har funnit oseriösa vågor, som kan allvarligt skada och sjunka även de största fartygen, kan vara vanligare än man tidigare trott.

"Vi är intresserade av hur självdragande vågor utvecklas, "sa ledande forskaren Randy Hulet, Rice's Fayez Sarofim professor i fysik och astronomi. "Även om vårt experiment är inom kvantdomänen, samma fysik gäller för klassiska vågor, inklusive oseriösa vattenvågor. "

Hulets laboratorium använder lasrar och magnetfällor för att kyla små moln av en atomgas till mindre än en miljonedel av graden över absolut noll, temperaturer mycket kallare än de djupaste delarna av yttre rymden. I detta yttersta, kvantmekaniska effekter står i centrum. Atomer kan fås att marschera i lås, försvinner eller kopplas ihop som elektroner i supraledare. År 2002, Hulets team skapade de första "soliton -tågen" i ultrakallt atomämne. Solitons minskar inte, sprida ut eller ändra form när de rör sig. Under 2014, Hulet och kollegor visade att två materiavågsolitoner som reser i motsatta riktningar i en fälla kort skulle blinka ur existensen snarare än att dela utrymme när de passerade genom varandra.

Både fynden 2002 och 2014 var anmärkningsvärt liknande det beteende som observerades i vattenvågssolitoner i en kanal i mitten av 1800-talet av den skotska ingenjören John Scott Russell. Han förlorade aldrig sin fascination för solitons och byggde en modellkanal i trädgården bakom hans hus för att studera dem. Till exempel, han var den första som visade att två av vågorna som rör sig i motsatta riktningar skulle passera genom varandra utan interaktion.

Matematiskt, solitons är resultatet av en olinjär attraktion, en där ingångarna har en oproportionerlig effekt på utgången. Och alla vågbaserade olinjära system-vare sig det är vågor av vatten i djuphavet eller vågor av ultrakylda atomer i en fälla-är föremål för denna och andra universella olinjära effekter.

I de senaste experimenten, Hulet, forskaren Jason Nguyen och doktoranden De "Henry" Luo använde motbjudande interaktioner för att skapa en cigarrformad materievåg som kallas ett Bose-Einstein-kondensat. Genom att snabbt växla interaktionerna till att vara attraktiva, forskarna fick gasen att genomgå en "modulerande instabilitet, "en olinjär effekt där små, slumpmässiga störningar i systemet förstärks.

"Villkoren väljer ut vilka störningar som förstärks, "sa Nguyen, huvudförfattare till det nya papperet. "När detta händer, Bose-Einstein-kondensatet delar sig i ett tåg av enskilda solitoner åtskilda av diskreta utrymmen. "

Det resulterande soliton -tåget är vad Hulets team först skapade 2002, men Luo sa att den nya studien är den första som experimentellt undersöker systemets underliggande fysik för att avgöra om strukturen för ett solitontåg härrör från startförhållandena eller utvecklas dynamiskt när systemet reagerar på dessa förhållanden. Nguyen, Luo och Hulet kunde besvara denna fråga genom att systematiskt variera förhållandena i sina experiment och ta ögonblicksbilder av solitontåg varannan millisekund under experimentet.

"Det vi fann var att under vissa förutsättningar, antalet solitons förblir oförändrat, "Luo sa." Detta är ett bevis på att solitontåget föds med egenskaperna att vara stabila snarare än att utvecklas till en så stabil struktur över tiden. "

I mer än en studie under det senaste decenniet, fysiker och matematiker har försökt beskriva beteendet hos oseriösa vågor med hjälp av matematik som liknar den som används för att beskriva kvantsystem, och Hulet sa att ultrakylda atomförsök ger en idealisk plattform för att testa nya teorier om oseriös vågdynamik.

"Att återskapa de exakta förhållandena som åstadkommer en oseriös solitonvåg i havet kommer att bli svårt, även i en stor vågtank, "Sa Hulet." Folk försöker göra det, men vi kan få insikt i bildandet av solitoner genom att studera deras bildning i kvanten, snarare än klassisk, regimen."