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在一项开创性的实验中，物理学家首次在量子气体中观察到了经典的液体现象——毛细管不稳定性。通过将钾原子和铷原子的混合物冷却至接近绝对零度，研究人员创造了微小的自结合液滴，它们虽然仍处于气相状态，但行为却与液体相似。拉伸时，这些量子液滴会分裂成更小的液滴，模拟水流分解成液滴的过程。
在国家光学研究所 (CNR-INO) 的量子混合实验室中，来自 CNR、佛罗伦萨大学和欧洲非线性光谱实验室 (LENS) 的研究人员在一种不寻常的介质——超稀量子气体中观察到了一种众所周知的流体现象——毛细管不稳定性。
这一发现为物质在极端条件下的行为提供了新的见解，并可能带来操控量子流体的新方法。这项研究发表在《物理评论快报》上，博洛尼亚大学、帕多瓦大学和巴斯克地区大学（UPV/EHU）的科学家也参与了这项研究。
在经典物理学中，表面张力源于液体分子间的内聚力，使液体的表面积最小化。这种效应是雨滴和肥皂泡等日常现象的成因。表面张力还会导致毛细管不稳定性（也称为普拉托-瑞利不稳定性），即细小的液流分解成液滴。理解这一过程对工业设计、生物医学和纳米技术等领域都至关重要。
实验的数值模拟再现了量子液滴的破碎动力学。图片来源：CNR-INO
当原子气体被冷却到接近绝对零度时，它们的行为开始遵循量子力学规则。在某些条件下，这些超冷气体可以像液体一样运作，即使它们严格来说仍处于气相。近年来，科学家们已经掌握了如何精确调节原子间相互作用，从而创造出自结合的类液体液滴。这些液滴由量子效应稳定，并具有与经典液滴相同的一些特性。
由Cnr-Ino研究员Alessia Burchianti领导的实验团队利用成像和光学操控技术，研究了由超冷钾原子和铷原子混合物产生的单个量子液滴的动态演化。液滴在光波导中释放，并伸长形成细丝，当超过临界长度时，细丝会分解成更小的液滴。子液滴的数量与细丝断裂时的长度成正比。
“通过结合实验和数值模拟，我们能够用毛细不稳定性来描述量子液滴的破碎动力学。普拉托-瑞利不稳定性是经典液体中的常见现象，在超流氦中也观察到了，但在原子气体中尚未发现。” 参与这项研究的UNIFI研究员Chiara Fort说道。“我们实验室进行的测量深入了解了这种特殊的液相，并为创建量子液滴阵列开辟了道路，未来可用于量子技术。” 本文第一作者、Cnr-Ino研究员Luca Cavicchioli补充道。
编译自/ScitechDaily
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