Рис. 1. В новом эксперименте две квантовые сверхтекучие жидкости сталкиваются вместе, создавая грибовидные облака, похожие на те, что видны на фотографиях выше. Синие и жёлтые области представляют собой две разные сверхтекучие жидкости, каждая из которых по-разному реагирует на магнитные поля. После разделения двух сверхтекучих жидкостей (как показано слева) исследователи столкнули их вместе, заставив их смешаться и создав узнаваемый узор, который в конечном итоге распался, превратившись в хаотичный хаос. Фото: Янда Гэн/JQI.

Учёные изучают тип сверхтекучей жидкости, называемый конденсатом Бозе-Эйнштейна (БЭК). БЭК образуется при охлаждении множества частиц до такой температуры, что все они собираются в единое квантовое состояние. Такая консолидация позволяет всем атомам координироваться и позволяет законам квантовой физики проявляться в гораздо больших масштабах, чем это обычно происходит в природе.

БЭК легко разделялся на две сверхтекучие жидкости, что давало физикам удобный способ подготовки практически гладких границ раздела, что полезно для наблюдения за тем, как смешивание разрастается в турбулентный хаос.

Для создания двух сверхтекучих БЭК в эксперименте использовали атомы натрия. Каждый атом натрия обладает спином. Воздействие микроволн на остывшее облако атомов натрия приводит к образованию примерно равного количества атомов со спинами, направленными в противоположные стороны, что приводит к образованию двух БЭК с различным поведением.

Магнитные реакции двух БЭК дали удобный способ управления сверхтекучими жидкостями. Сначала учёные позволили магнетизму притянуть два БЭК в стабильную конфигурацию, где они плотно прилегали друг к другу (подобно маслу, плавающему на поверхности воды). Затем, изменив направление магнитного поля в ходе эксперимента, БЭК внезапно притянули в противоположном направлении, мгновенно создав эквивалент воды, уравновешенной поверх масла.

Рис. 2. Измерение скорости интерфейса. Источник: Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw9752.

После настройки поля физики смогли сделать всего один снимок смешивающихся БЭК. Для получения изображения использовался тот факт, что БЭК естественным образом поглощают свет разных цветов. Была использована вспышка света, взаимодействующая только с одним из БЭК, что позволило идентифицировать каждый БЭК по месту поглощения света. К сожалению, поглощение света приводило к выбиванию многих атомов из БЭК, поэтому получение снимка завершало эксперимент.

Выжидая разное время в каждом цикле, учёные смогли восстановить картину происходящего при смешивании двух БЭК. Результаты выявили характерное образование грибовидных облаков, которые в конечном итоге переросли в беспорядочную турбулентность. Исследователи установили, что, несмотря на множество существенных различий между сверхтекучими БЭК и классическими жидкостями, БЭК воссоздали широко распространённый эффект, называемый неустойчивостью Рэлея-Тейлора, который наблюдается в обычных жидкостях.