Ein Team von Physikern in Barcelona hat 100 Millionen Mal dünnere Flüssigkeitströpfchen erzeugt als Wasser, die sich mithilfe seltsamer Quantengesetze zusammenhalten.
In einem am 14. Dezember in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Artikel enthüllten Forscher, dass diese bizarren Tröpfchen in der seltsamen, mikroskopischen Welt eines Lasergitters - einer optischen Struktur zur Manipulation von Quantenobjekten - in einem Labor am spanischen Institut de Ciències Fotòniques entstanden sind. oder Institut für Photonische Wissenschaften (ICFO). Und sie waren echte Flüssigkeiten: Substanzen, die unabhängig von der Außentemperatur ihr Volumen beibehalten und in kleinen Mengen Tröpfchen bilden. Das ist im Gegensatz zu Gasen, die sich ausbreiten, um ihre Behälter zu füllen. Sie waren jedoch weitaus weniger dicht als jede unter normalen Umständen vorhandene Flüssigkeit und behielten ihren flüssigen Zustand durch einen als Quantenfluktuation bekannten Prozess bei.
Die Forscher kühlten ein Gas aus Kaliumatomen ab, das auf minus 453,67 Grad Fahrenheit (minus 273,15 Grad Celsius) nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt war. Bei dieser Temperatur bildeten die Atome ein Bose-Einstein-Kondensat. Dies ist ein Zustand der Materie, in dem kalte Atome zusammenklumpen und sich physikalisch überlappen. Diese Kondensate sind interessant, weil ihre Wechselwirkungen eher von Quantengesetzen dominiert werden als von den klassischen Wechselwirkungen, die das Verhalten der meisten großen Materiestöße erklären können.
Wenn Forscher zwei dieser Kondensate zusammenschoben, bildeten sie Tröpfchen, die sich zusammenbanden, um ein definiertes Volumen zu füllen. Im Gegensatz zu den meisten Flüssigkeiten, die ihre Tröpfchenformen durch elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen Molekülen zusammenhalten, hielten diese Tröpfchen ihre Formen durch einen Prozess, der als "Quantenfluktuation" bekannt ist.
Quantenfluktuation ergibt sich aus dem Heisenbergschen Unsicherheitsprinzip, das besagt, dass Teilchen grundsätzlich probabilistisch sind - sie halten nicht ein Energieniveau oder einen Ort im Raum, sondern werden über mehrere mögliche Energieniveaus und Orte verschmiert. Diese "verschmierten" Partikel wirken ein bisschen so, als würden sie über ihre möglichen Orte und Energien herumspringen und Druck auf ihre Nachbarn ausüben. Addieren Sie alle Drücke aller fließenden Partikel, und Sie werden feststellen, dass sie sich eher anziehen als abstoßen. Diese Anziehungskraft bindet sie zu Tröpfchen zusammen.
Diese neuen Tröpfchen sind insofern einzigartig, als Quantenfluktuation der dominierende Effekt ist, der sie in ihrem flüssigen Zustand hält. Andere "Quantenflüssigkeiten" wie flüssiges Helium zeigen diesen Effekt, beinhalten 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 Partikel. Sie breiten sich daher über viel größere Räume aus - selbst wenn sie ihre Tröpfchenform behalten. Im Vergleich zu 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 bessere Modellquantenflüssigkeiten herausstellen als Helium.
Die Quantentröpfchen haben jedoch ihre Grenzen. Wenn sie zu wenige Atome haben, kollabieren sie und verdampfen in den umgebenden Raum.
