Les rayures oranges et jaunes de cette image composite représentent les ondes de matière provenant de différents essais expérimentaux dans le laboratoire Hulet de l'Université Rice. Les bandes montrent comment les ondes de matière changent en raison de déplacements magnétiques rapides qui entraînent une instabilité de modulation. La ligne de gauche montre une onde de matière avant la commutation magnétique. Les images suivantes (à gauche) montrent comment les deux fluctuations répulsives à attractives sont amplifiées dans l'onde. Des signes clairs d'écarts par rapport à la forme solide initiale sont visibles sur la troisième image, et les pics et les vallées dans l'image à l'extrême gauche montrent comment la vague se transforme en un "train soliton, ” un ensemble d'ondes stationnaires. Crédit :Nguyen/Rice University
En contrôlant précisément le comportement quantique d'un gaz atomique ultrafroid, Les physiciens de l'Université Rice ont créé un système modèle pour étudier le phénomène des vagues qui peut provoquer des vagues scélérates dans les océans de la Terre.
La recherche paraît cette semaine dans Science . Les chercheurs ont déclaré que leur système expérimental pourrait fournir des indices sur la physique sous-jacente des vagues scélérates – des murs d'eau de 100 pieds qui font partie des traditions de la voile, mais qui n'ont été confirmés scientifiquement qu'au cours des deux dernières décennies. Des recherches récentes ont trouvé des vagues scélérates, qui peuvent gravement endommager et couler même les plus gros navires, peut être plus fréquent qu'on ne le croyait auparavant.
« Nous nous intéressons à la façon dont les ondes auto-attirantes se développent, " a déclaré le scientifique principal Randy Hulet, Rice's Fayez Sarofim Professeur de physique et d'astronomie. "Bien que notre expérience soit dans le domaine quantique, la même physique s'applique aux ondes classiques, y compris les vagues d'eau scélérates."
Le laboratoire de Hulet utilise des lasers et des pièges magnétiques pour refroidir de minuscules nuages de gaz atomique à moins d'un millionième de degré au-dessus du zéro absolu, températures bien plus froides que les confins de l'espace extra-atmosphérique. A cet extrême, les effets de la mécanique quantique occupent le devant de la scène. On peut faire marcher les atomes au pas de course, disparaissent momentanément ou s'apparient comme des électrons dans les supraconducteurs. En 2002, L'équipe de Hulet a créé les premiers « trains de solitons » en matière atomique ultrafroide. Les solitons ne diminuent pas, s'étaler ou changer de forme à mesure qu'ils se déplacent. En 2014, Hulet et ses collègues ont montré que deux solitons d'ondes de matière voyageant dans des directions opposées dans un piège disparaîtraient brièvement plutôt que de partager l'espace lorsqu'ils se croisaient.
Une représentation schématique d'une onde de matière unidimensionnelle (en haut) qui est divisée en une série de paquets d'ondes séparés appelés solitons (en bas), grâce à un passage rapide dans les interactions non linéaires de répulsif à autofocus. Crédit :J. Nguyen/Rice University
Les résultats de 2002 et 2014 étaient remarquablement similaires au comportement observé dans les solitons des vagues d'eau dans un canal au milieu du XIXe siècle par l'ingénieur écossais John Scott Russell. Il n'a jamais perdu sa fascination pour les solitons et a construit un modèle de canal dans le jardin derrière sa maison pour les étudier. Par exemple, il fut le premier à montrer que deux des ondes se déplaçant dans des directions opposées se traverseraient sans interaction.
Mathématiquement, les solitons sont le résultat d'une attraction non linéaire, celui où les entrées ont un effet disproportionné sur la sortie. Et tout système non linéaire basé sur les vagues, qu'il s'agisse de vagues d'eau dans l'océan profond ou de vagues d'atomes ultrafroids dans un piège, est soumis à cet effet et à d'autres effets non linéaires universels.
Dans les dernières expériences, Hulet, le chercheur Jason Nguyen et l'étudiant diplômé De "Henry" Luo ont utilisé des interactions répulsives pour créer une onde de matière en forme de cigare connue sous le nom de condensat de Bose-Einstein. En changeant rapidement les interactions pour être attractives, les chercheurs ont fait subir au gaz une "instabilité modulationnelle, " un effet non linéaire dans lequel petit, les perturbations aléatoires dans le système deviennent amplifiées.
"Les conditions déterminent quelles perturbations sont amplifiées, " dit Nguyen, l'auteur principal du nouveau document. "Quand cela arrive, le condensat de Bose-Einstein se divisera en un train de solitons individuels séparés par des espaces discrets."
Des images en accéléré d'un train de solitons prises toutes les deux millisecondes montrent comment la structure change au fil du temps, grâce à l'auto-focalisation non linéaire et à un effet de vague qui empêche les solitons voisins de se heurter. Crédit :J. Nguyen/Rice University
Le train soliton qui en résulte est ce que l'équipe de Hulet a d'abord créé en 2002, mais Luo a déclaré que la nouvelle étude est la première à sonder expérimentalement la physique sous-jacente du système pour déterminer si la structure d'un train de solitons dérive des conditions de départ ou évolue dynamiquement à mesure que le système réagit à ces conditions. Nguyen, Luo et Hulet ont pu répondre à cette question en variant systématiquement les conditions de leurs expériences et en prenant des instantanés des trains de solitons toutes les deux millisecondes tout au long de l'expérience.
"Ce que nous avons découvert, c'est que sous certaines conditions, le nombre de solitons reste inchangé, " a déclaré Luo. "C'est la preuve que le train soliton est né avec les caractéristiques d'être stable plutôt que d'évoluer vers une structure aussi stable au fil du temps."
Dans plus d'une étude au cours de la dernière décennie, les physiciens et les mathématiciens ont essayé de décrire le comportement des ondes scélérates en utilisant des mathématiques similaires à celles utilisées pour décrire les systèmes quantiques, et Hulet a déclaré que les expériences atomiques ultrafroides fournissent une plate-forme idéale pour tester de nouvelles théories sur la dynamique des ondes scélérates.
"Recréer les conditions précises qui provoquent une vague de solitons scélérate dans l'océan va être difficile, même dans un grand réservoir à vagues, " dit Hulet. " Les gens essaient de faire ça, mais nous pouvons mieux comprendre la formation des solitons en étudiant leur formation dans le quantum, plutôt que classique, régime."
