Počítačová simulace kvantového deště. Kredit: CNR-INO.

Povrchové napětí kapaliny je výsledkem působení mezimolekulárních přitažlivých sil, přičemž se povrch kapaliny „snaží“ dostat do stavu s nejnižší energií. Tento mechanismus přitom vytváří nám důvěrně známé fenomény, jako jsou kapky deště nebo mýdlové bubliny.

Luca Cavicchioli. Kredit: Università di Firenze.

Povrchové napětí rovněž zodpovídá za takzvanou Rayleighovu-Taylorovu nestabilitu (anglicky též capillary instability), což je nestabilita rozhraní mezi dvěma kapalinami o různé hustotě. Tato nestabilita zodpovídá například za chování vody v oleji nebo za vznik hřibovitých mračen při vulkanické erupci nebo atmosférické jaderné explozi. Už byla také pozorována v supratekutém heliu.

Pochopení procesů souvisejících s Rayleighovou-Taylorovou nestabilitu má velký význam pro průmyslové aplikace, biomedicínu nebo třeba pro nanotechnologie. Významného úspěchu v tomto směru dosáhl Luca Cavicchioli z italských Istituto Nazionale di Ottica a Università di Firenze se svými kolegy, když jako první na světě pozorovali Rayleighovu-Taylorovu nestabilitu ve velmi nekonvenční kapalině – ultrazředěném kvantovém plynu. Je to jako kvantový déšť.

Když se atomární plyny zmrazí na teploty blízké absolutní nule, jednotlivé atomy ztratí samostatnost a podřídí se kvantové mechanice. Takové systémy se za určitých podmínek chovají jako kapaliny, i když technicky setrvávají v plynném skupenství.

Logo. Kredit: Università di Firenze.

Badatelé si vytvořili kvantový plyn smícháním ultrachladných aatomů draslíku a rubidia (Bose-Bose mixture) a v této fantaskní směsi studovali dynamickou evoluci jednotlivých kvantových kapek. Tyto kapky představují shluky atomů stabilizovaných kvantovými efekty, které jsou velmi podobné kapkám klasických kapalin.

Cavicchioli si pochvaluje, že jejich experiment poodkryl chování kvantových plynů a současně otevřel cestu ke kvantovým technologiím, které by zahrnovaly soustavy kvantových kapek. Brzy se ukáže, jak přínosný může být kvantový déšť.

Video: Quantum liquid droplets in a mixture of Bose-Einstein condensates - Cesar Cabrera

Literatura

Phys.org 10. 4. 2025.

Physical Review Letters 134: 093401.