Фізики створили гідродинамічний аналог надвипромінювання з олії

Американські та французькі вчені отримали у вібруючій посудині з олією гідродинамічний аналог надвипромінювання — ефекту з квантової оптики. Через вібрації на поверхні олії утворювалися хвилі, що провокували появу крапель подібно тому, як ансамблі атомів здатні випромінювати світло через колективну взаємодію між собою. Експеримент фізиків висвітлив особливості квантового ефекту, а також знайде застосування у розрахунках для гідродинамічних систем. Свою роботу науковці опублікували у Physical Review Letters.

Що таке надвипромінювання?

Коли атоми в ансамблі знаходяться дуже близько один до одного, на меншій відстані, ніж довжина хвилі, вони взаємодіють один з одним за допомогою електромагнітного поля, що дозволяє їм колективно випускати фотони, причому з більшою інтенсивністю, ніж може кожен окремий атом. Це явище називається надвипромінюванням (superradiance) та являє не лише теоретичний інтерес для вчених, а і практичний, адже його можна використовувати у найрізноманітніших областях, пов'язаних з оптикою: від лазерів до квантових інформаційних технологій.

У своїй роботі фізики Массачусетського технологічного інституту продемонстрували аналогічне надвипромінюванню явище, однак у посудині, заповненій олією.

Навіщо це фізикам?

Створення гідродинамічних аналогів квантових явищ, в основі яких так само лежать хвилі, фізики займаються давно. Наприклад, існують гідродинамічні версії ефекту Казимира, ефекту Ааронова — Бома та навіть експериментів з чорними дірами. Вони дають змогу вивчати явища, які напряму вивчати складно чи навіть неможливо. У своїх експериментах фізикам вдалося зафіксувати кілька істотних особливостей надвипромінювання, відтворивши його у вібруючій посудині з олією, в якій атомами виступили порожнини на дні, а надвипромінювання виявлялося у появі крапель на поверхні від хвильового зв'язку між ними.

Що побачили у хвилях на олії?

Для дослідження вчені створили місткість з двома заглибленнями глибиною у 6 міліметрів та діаметром у 7 міліметрів, відстань між якими змінювали у діапазоні від 8 до 12 міліметрів. Вони слугували резонаторами, над якими тонким шаром у 0,75 міліметра розлили олію. Вся конструкція піддавалась вібраціям з частотою у 39 герців з різною амплітудою, яку фізики підбирали до подолання так званої межі Фарадея — межі, за якою на поверхні з'являлися брижі (хвилі Фарадея). З'ясувалося, що навіть на таких значних відстанях хвильове поле збурення одного резонатора може досягати іншого, що дає їм можливість здійснювати далекодійні взаємодії.

Брижі найбільш інтенсивно проявлялись над резонаторами, від поверхні поблизу яких відривалися краплі. Оскільки хвилі від обох резонаторів зустрічались та інтерферували, це впливало і на утворення крапель. Кількість крапель, які формувалися за секунду, фізики і приймали як випромінювання.У створеній ними системі поява крапель є аналогом випромінювання фотона через колективну взаємодію атомів.

Окрім посилення випромінювання, гідродинамічний експеримент з надвипромінюванням має ще кілька спільних ключових рис із надвипромінюванням з квантової оптики.Зокрема, система вчених демонструє синусоїдальну залежність посиленої швидкості випромінювання від відстані, а також вченим не вдалося спостерігати субвипромінювання, що також відносно рідко зустрічається в оптичних системах. Відтворити субвипромінювання допомогла б інша геометрія резонаторів. Як пишуть дослідники, утворення крапель у їхній системі стане новою платформою для вивчення гідродинамічних аналогів явища колективного випромінювання частинок і подальшого розширення області гідродинамічних аналогів квантових явищ.

Фізика рідин

🚽Вчені дослідили, як розлітаються аерозольні частинки від змивання води в унітазі, аби покращити стратегії з дезінфекції

👐Фізик побудував гідродинамічну модель миття рук, яка показала, що їх дійсно варто мити близько 20 секунд

👀🌊А гідродинамічні симуляції плавання скатів показали, що їхні вирячені очі приносять їм перевагу у воді

---