در فیزیک کلاسیک مشخص شده که مایع در اثر کشش سطحی (ناشی از نیروهای چسبنده بین مولکولی) تمایل دارد مساحت سطح خود را به حداقل برساند؛ این مکانیسم ماکروسکوپی باعث تشکیل قطرات باران یا حباب‌های صابون می‌شود.
اکنون دانشمندان ایتالیایی ایجاد قطره کوانتومی منفردی را مشاهده کرده‌اند که می‌توان آن را به «باران کوانتومی» تشبیه کرد.
براساس گزارش سایت Phys، در آزمایشگاه مخلوط کوانتومی، محققان انستیتو ملی نور ایتالیا(CNR-INO)، دانشگاه فلورانس و و آزمایشگاه اروپا برای طیف سنجی غیرخطی(لنز)، پدیده ناپایداری مویرگی را در یک مایع غیر متعارف مشاهده کردند؛ تشکیل قطرات در یک گاز کوانتومی فوق رقیق که همانند مایعات معمولی توسط اثرات کشش سطحی ایجاد می‌شود. این پدیده بسیار نادر است؛ زیرا گازهای کوانتومی میلیون‌ها بار کمتر از مایعات چگالی دارند و معمولاً فاقد کشش سطحی مورد نیاز برای نگه‌داشتن قطرات در کنار هم هستند. تشکیل قطرات کوانتومی نشان می‌دهد اتفاقی بسیار غیرعادی در چنین چگالی کمی رخ می‌دهد.
مطالعه و درک این پدیده پیامدهای مهمی در زمینه های صنعتی ، زیست پزشکی و فناوری نانو دارد.
قبل از آنکه به یافته‌های محققان بپردازیم، بهتر است با مفهوم کشش سطحی آشنا شوید. کشش سطحی (Surface tension) نیروی منسجم در سطح مایع است که مولکول‌های آن را به‌سمت یکدیگر می‌کشد و فضای سطح را کاهش می‌دهد؛ درنتیجه، مایع شکل‌هایی مانند قطره به خود می‌گیرد و در طبیعت نیز آن را به‌صورت شبنم، حباب‌های صابون و قطرات باران می‌بینیم.
در برخی موارد نیز کشش سطحی منجر به ناپایداری مویرگی می‌شود، در این مواقع قطرات جدا می‌شوند تا انرژی سطح را کاهش دهند؛ برای مثال جریان استوانه‌ای مایع به‌دلیل کشش سطحی ناپایدار و به قطرات تبدیل می‌شود. وقتی شیر آب را باز می‌کنید، در جریان استوانه‌ای مایع می‌بینید که قطرات جدا می‌شوند.
این پدیده‌ها معمولاً در مایعات معمولی مشاهده می‌شوند اما محققان وقوع آن‌ها را در مخلوط فوق‌سردی از اتم‌های پتاسیم و روبیدیم مشاهده کردند. محققان می‌گویند این اولین‌ بار است که گاز اتمی چنین رفتاری از خود نشان می‌دهد.
در گازهای اتمی که به دمای نزدیک به صفر مطلق خنک می‌شوند؛ اتم‌ها فردیت خود را از دست می‌دهند و از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند. این سیستم‌ها تحت شرایط خاص مانند مایعات رفتار می‌کنند، اگرچه در مرحله گازی باقی می‌مانند.
محققان طی آزمایشات مشاهده کردند وقتی گاز کوانتومی فوق‌رقیق(مخلوط اتمی پتاسیم-روبیدیم) به دمای نزدیک به صفر مطلق رسید، در فاز گازی ماند اما هم‌زمان خواص مایع‌ مانندی نیز داشت و یک قطره کوانتومی منفرد را تشکیل داد. وقتی این قطره در مسیری که لیزر ایجاد کرده بود، قرار گرفتند، مانند خط نازکی کشیده شد و این قطره کوانتومی دراز، ناپایدار شد و به قطرات کوچک‌تری بدل گشت.
در واقع، برای چند سال است که دانشمندان با کنترل دقیق تعامل‌های متقابل قادر به ایجاد قطرات خودرو و مایع مانند گازهای ماوراء بنفش هستند. این خوشه‌های کوچک اتم‌ها، که توسط اثرات کوانتومی تثبیت می‌شوند، خواص خود را با قطره مایع کلاسیک به اشتراک می‌گذارند.
با استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری و دستکاری نوری، تیم آزمایشی به رهبری Alessia Burchianti (محقق CNR-ino)، تکامل دینامیکی یک قطره کوانتومی منفرد ایجاد شده از مخلوط فوق سرد اتم‌های پتاسیم و روبیدیوم را مطالعه کرد.
قطره‌ای که در یک موج‌بر نوری آزاد می‌شود؛ یک رشته را تشکیل می‌دهد، که بالاتر از طول بحرانی، به قطرات کوچکتر شکسته می‌شود.  تعداد زیر قطره‌ها متناسب با طول رشته در زمان شکستن است.
"با ترکیب آزمایشات و شبیه سازی‌های عددی، می‌توان دینامیک تجزیه یک قطره کوانتومی را از نظر بی‌ثباتی مویرگی توصیف کرد. بی‌ثباتی Plateau-Rayleigh یک پدیده شایع در مایعات کلاسیک است که در هلیوم فوق سیال مشاهده شده است؛ اما هنوز در گازهای اتمی مشاهده نشده."
نویسنده اول مقاله، Luca Cavicchioli (محقق CNR-IO) می‌افزاید: "اندازه گیری‌های انجام شده در آزمایشگاه ما درک عمیقی از این مرحله مایع عجیب و غریب ارائه می دهد و مسیری را برای ایجاد آرایه‌ای از قطرات کوانتومی برای کاربردهای آینده در فن آوری های کوانتومی باز می‌کند."

منبع خبر
🔗Phys.org

تیم تحریریه انجمن کوانتوم گیلان

@Quantum_Gu