超冷原子波可以揭示流氓海洋杀手

通过精确控制超冷原子气体的量子行为，莱斯大学物理学家创建了一个模型系统，用于研究可能在地球海洋中引发流氓波的波浪现象。

该研究本周出现在“科学”杂志上。研究人员表示，他们的实验系统可以提供关于流氓波的基本物理学的线索- 100英尺长的水墙是航海传说中的东西，但在过去的二十年里才得到科学证实。最近的研究发现，即使是最大的船只也会严重损坏和沉没的流氓波可能比以前认为的更为常见。

“我们对自我吸引波的发展感兴趣，”赖斯的Fayez Sarofim物理和天文学教授，首席科学家Randy Hulet说。“虽然我们的实验是在量子域，但同样的物理学适用于经典波，包括流氓水波。”

Hulet的实验室使用激光和磁阱将原子气体的微小云冷却到绝对零度以上的百万分之一以下，温度远远低于外太空的最深处。在这种极端情况下，量子力学效应成为焦点。可以使原子步调一致，瞬间消失或像超导体中的电子一样配对。2002年，Hulet的团队在超冷原子物质中创造了第一个 “孤子列车”。孤子在移动时不会减少，扩散或改变形状。在2014年，Hulet及其同事表明，在陷阱中以相反方向行进的两个物质波孤子会短暂地眨眼而不是在它们相互穿过时共享空间。

由于从排斥到自聚焦的非线性相互作用的快速切换，一维物质波(顶部)被分成一系列被称为孤子(底部)的单独波包的示意图。图片来源：J。Nguyen /莱斯大学

2002年和2014年的研究结果与苏格兰工程师约翰斯科特拉塞尔在19世纪中期在运河中的水波孤子中观察到的行为非常相似。他从未失去对孤子的迷恋，并在他家后面的花园里建造了一条模型运河来研究它们。例如，他是第一个表明两个相反方向移动的波在没有相互作用的情况下相互穿过的人。

在数学上，孤子是非线性吸引力的结果，输入对输出具有不成比例的影响。任何基于波浪的非线性系统 - 无论是深海中的水波还是陷阱中的超冷原子波 - 都受到这种和其他普遍的非线性效应的影响。

在最新的实验中，Hulet，研究科学家Jason Nguyen和研究生De“Henry”Luo利用排斥相互作用创造了一种称为玻色 - 爱因斯坦凝聚物的雪茄状物质波。通过快速切换相互作用是有吸引力的，研究人员使气体经历“调制不稳定性”，这是一种非线性效应，其中系统中的小的随机扰动被放大。

由于非线性自聚焦和防止相邻孤子碰撞的波效应，每两毫秒拍摄的孤子列车的延时图像显示结构如何随时间变化。图片来源：J。Nguyen /莱斯大学

新条款的第一作者Nguyen说：“条件选择了哪些扰动被放大了。” “当这种情况发生时，玻色 - 爱因斯坦凝聚体将分裂成由离散空间隔开的一系列单个孤子。”

由此产生的孤子列车是Hulet团队在2002年首次创建的，但罗说，这项新研究是第一个通过实验探测系统的基本物理特性，以确定孤子序列的结构是从起始条件得出还是动态演化为系统对这些条件作出反应。Nguyen，Luo和Hulet能够通过系统地改变他们的实验条件来回答这个问题，并在整个实验中每两毫秒拍摄一次孤子列车的快照。

“我们发现，在某些条件下，孤子的数量保持不变，”罗说。“这证明了孤子系列的出生具有稳定的特性，而不是随着时间的推移逐渐演变成如此稳定的结构。”

在更比一个 研究，在过去的十年中，物理学家和数学家试图描述使用数学是类似于用来描述量子系统疯狗浪的行为，并Hulet说超冷原子实验提供了一个理想的平台，以测试对新理论流氓波动力学。

“重新创造在海洋中形成流氓孤波的精确条件将变得非常困难，即使在大型波浪水池中也是如此，”Hulet说。“人们正在努力做到这一点，但我们可以通过研究它们在量子而非经典政体中的形成来深入了解孤子的形成。”

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