Diese Quantentröpfchen sind die am meisten verdünnten Flüssigkeiten im bekannten Universum

Ein Team von Physikern in Barcelona hat 100 Millionen Mal dünnflüssigere Tröpfchen erzeugt als Wasser, die sich mit seltsamen Quantengesetzen zusammenhalten.

In einem am 14. Dezember in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Artikel zeigten Forscher, dass diese bizarren Tröpfchen in der seltsamen, mikroskopischen Welt eines Lasergitters - einer optischen Struktur zur Manipulation von Quantenobjekten - in einem Labor des Spanischen Institut de Ciències Fotòniques entstanden sind. oder Institut für Photonische Wissenschaften (ICFO). Und sie waren wahre Flüssigkeiten: Substanzen, die unabhängig von der Außentemperatur ihr Volumen halten und in kleinen Mengen Tröpfchen bilden. Das ist im Gegensatz zu Gasen, die sich ausbreiten, um ihre Behälter zu füllen. Aber sie waren weit weniger dicht als jede Flüssigkeit, die unter normalen Umständen existiert, und behielten ihren flüssigen Zustand durch einen Prozess, der als Quantenfluktuation bekannt ist.

Die Forscher kühlten ein Gas aus Kaliumatomen ab, das auf minus 459,67 Grad Fahrenheit (minus 273,15 Grad Celsius) nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt war. Bei dieser Temperatur bildeten die Atome ein Bose-Einstein-Kondensat. Das ist ein Zustand der Materie, in dem kalte Atome zusammenklumpen und anfangen, sich physisch zu überlappen. Diese Kondensate sind interessant, weil ihre Wechselwirkungen von Quantengesetzen dominiert werden und nicht von den klassischen Wechselwirkungen, die das Verhalten der meisten großen Materieteilchen erklären können.

Als Forscher zwei dieser Kondensate zusammenpressten, bildeten sie Tröpfchen, die sich zusammenbanden, um ein definiertes Volumen zu füllen. Aber im Gegensatz zu den meisten Flüssigkeiten, die ihre Tröpfchen durch die elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen Molekülen zusammenhalten, haben diese Tröpfchen ihre Form durch einen Prozess, der als "Quantenschwankung" bekannt ist, festgehalten. [Verrückte Physik: Die kühlsten kleinen Teilchen in der Natur]

Quantenschwankung ergibt sich aus der Heisenbergschen Unschärferelation, wonach Teilchen grundsätzlich probabilistisch sind - sie halten nicht ein Energieniveau oder einen Platz im Raum, sondern sind über mehrere mögliche Energieniveaus und -orte verschmiert. Diese "verschmierten" Teilchen wirken ein wenig so, als würden sie über ihre möglichen Orte und Energien hinwegspringen und einen Druck auf ihre Nachbarn ausüben. Addiere alle Drücke all der Teilchen, die fließen, und du wirst feststellen, dass sie dazu tendieren, einander mehr anzulocken, als sie sich gegenseitig abstoßen. Diese Anziehung bindet sie zu Tröpfchen zusammen.

Diese neuen Tröpfchen sind insofern einzigartig, als die Quantenfluktuation der dominierende Effekt ist, der sie in ihrem flüssigen Zustand hält. Andere "Quantenflüssigkeiten" wie flüssiges Helium zeigen diesen Effekt, aber auch viel stärkere Kräfte, die sie viel enger miteinander verbinden.

Kaliumkondensattröpfchen werden jedoch nicht von diesen anderen Kräften dominiert und haben sehr schwach wechselwirkende Teilchen und breiten sich daher über viel größere Räume aus - selbst wenn sie ihre Tröpfchenformen beibehalten. Verglichen mit ähnlichen Heliumtröpfchen, schreiben die Autoren, ist diese Flüssigkeit zwei Größenordnungen größer und acht Größenordnungen verdünnter. Das ist eine große Sache für Experimentatoren, schreiben die Forscher; Kaliumtröpfchen könnten sich für zukünftige Experimente als viel besser als Helium für Quantenexperimente eignen.

Die Quantentröpfchen haben jedoch ihre Grenzen. Wenn sie zu wenig Atome enthalten, kollabieren sie und verdampfen in den umgebenden Raum.

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