Fysiker i USA, Österrike och Brasilien har visat att skakning av ultrakalla Bose-Einstein-kondensat (BEC) kan få dem att antingen delas i enhetliga segment eller splittras i oförutsägbara splitter, beroende på frekvensen av skakningen.

"Det är anmärkningsvärt att samma kvantsystem kan ge upphov till så olika fenomen, " sa Rice University fysiker Randy Hulet, medförfattare till en studie om arbetet som publicerades online idag i tidskriften Fysisk granskning X . Hulets labb genomförde studiens experiment med litium BEC, små moln av ultrakalla atomer som marscherar i lås som om de vore en enda enhet, eller materiavåg. "Förhållandet mellan dessa tillstånd kan lära oss mycket om komplexa kvantmångkroppsfenomen."

Forskningen utfördes i samarbete med fysiker vid Österrikes tekniska universitet i Wien (TU Wien) och Brasiliens universitet i São Paulo i São Carlos.

Experimenten anknyter till Michael Faradays upptäckt från 1831 att mönster av krusningar skapades på ytan av en vätska i en hink som skakades vertikalt vid vissa kritiska frekvenser. Mönstren, känd som Faraday-vågor, liknar resonanslägen skapade på trumskinn och vibrerande plattor.

För att undersöka Faradays vågor, teamet begränsade BEC till en linjär endimensionell vågledare, vilket resulterar i en cigarrformad BEC. Forskarna skakade sedan BECs med en svag, långsamt oscillerande magnetfält för att modulera styrkan av interaktioner mellan atomer i 1D-vågledaren. Faraday-mönstret uppstod när moduleringsfrekvensen avstämdes nära en kollektiv modresonans.

Men teamet märkte också något oväntat:När moduleringen var stark och frekvensen låg långt under en Faraday-resonans, BEC bröts i "korn" av varierande storlek. Risforskaren Jason Nguyen, ledande medförfattare till studien, fann att kornstorlekarna var brett fördelade och bestod i tider till och med längre än moduleringstiden.

"Granulering är vanligtvis en slumpmässig process som observeras i fasta ämnen som att krossa glas, eller pulverisering av en sten till korn av olika storlekar, " sa studiens medförfattare Axel Lode, som innehar gemensamma utnämningar vid både TU Wien och Wolfgang Pauli-institutet vid Wiens universitet.

Bilder av BEC:s kvanttillstånd var identiska i varje Faraday-vågexperiment. Men i granuleringsexperimenten såg bilderna helt olika ut varje gång, även om experimenten utfördes under identiska förhållanden.

Lode sa att variationen i granuleringsexperimenten uppstod från kvantkorrelationer - komplicerade samband mellan kvantpartiklar som är svåra att beskriva matematiskt.

"En teoretisk beskrivning av observationerna visade sig vara utmanande eftersom standardmetoder inte kunde reproducera observationerna, särskilt den breda fördelningen av kornstorlekar, " sa Lode. Hans team hjälpte till att tolka de experimentella resultaten med en sofistikerad teoretisk metod, och dess implementering i mjukvara, som stod för kvantfluktuationer och korrelationer som typiska teorier inte tar upp.

Hulet, Rice Fayez Sarofim professor i fysik och astronomi, och en medlem av Rice Center for Quantum Materials (RCQM), sa att resultaten har viktiga konsekvenser för undersökningar av turbulens i kvantvätskor, ett olöst problem inom fysiken.