Ett team av fysiker i Barcelona har skapat vätskedroppar 100 miljoner gånger tunnare än vatten som håller sig samman med konstiga kvantlagar.
I ett papper som publicerades 14 december i tidskriften Science avslöjade forskare att dessa bisarra droppar uppstod i den konstiga, mikroskopiska världen av ett lasergitter - en optisk struktur som används för att manipulera kvantobjekt - i ett labb vid det spanska Institut de Ciències Fotòniques, eller Institute of Photonic Sciences (ICFO). Och de var sanna vätskor: ämnen som bibehåller sin volym oavsett yttre temperatur och bildar droppar i små mängder. Det är i motsats till gaser, som sprids för att fylla sina behållare. Men de var mycket mindre täta än någon vätska som existerar under normala omständigheter och upprätthöll sitt vätskestillstånd genom en process som kallas kvantfluktuationer.
Forskarna kylde en gas kaliumatomer kylda till minus 459,67 grader Fahrenheit (minus 273,15 grader Celsius), nära absolut noll. Vid den temperaturen bildade atomerna ett Bose-Einstein-kondensat. Det är ett ämne där kalla atomer klumpar samman och börjar fysiskt överlappa varandra. Dessa kondensater är intressanta eftersom deras interaktioner domineras av kvantlagar snarare än klassiska interaktioner som kan förklara beteendet hos de flesta stora massmassor.
När forskarna pressade två av dessa kondensat ihop bildade de droppar och binder samman för att fylla en definierad volym. Men till skillnad från de flesta vätskor, som håller sina droppformar samman genom de elektromagnetiska växelverkningarna mellan molekyler, höll dessa droppar sina former genom en process som kallas "kvantfluktuering."
Kvantfluktuationer framgår av Heisenbergs osäkerhetsprincip, som säger att partiklar i grund och botten är sannolika - de har inte en energinivå eller plats i rymden, utan snarare smutsas över flera möjliga energinivåer och platser. De "smetade" partiklarna verkar lite som om de hoppar runt sina möjliga platser och energier och utövar ett tryck på sina grannar. Lägg till allt tryck från alla partiklar som flyter, och du kommer att upptäcka att de tenderar att locka varandra mer än att de stöter varandra. Attraktionen binder dem till små droppar.
Dessa nya droppar är unika genom att kvantfluktuationer är den dominerande effekten som håller dem i deras flytande tillstånd. Andra "kvantfluider" som flytande helium visar den effekten, men involverar också mycket kraftigare krafter som binder dem mycket tätare tillsammans.
Kaliumkondensatdroppar domineras emellertid inte av dessa andra krafter och har mycket svagt samverkande partiklar, och sprider sig därför över mycket bredare utrymmen - även om de har sina droppformer. Jämfört med liknande heliumdroppar, skriver författarna, är denna vätska två ordningsstorlekar större och åtta storleksordningar mer utspädda. Det är en stor sak för experter, skriver forskarna; kaliumdroppar kan visa sig vara mycket bättre modellkvantvätskor för framtida experiment än helium.
Kvantdropparna har dock sina gränser. Om de har för få atomer involverade kollapsar de och förångas till det omgivande rymden.
