通过精确控制超冷原子气体的量子行为，莱斯大学的物理学家创建了一个模型系统来研究可能在地球海洋中引起流氓波的波动现象。

这项研究发表在本周的《科学》杂志上。研究人员说，他们的实验系统可以提供流氓波基本物理的线索——100英尺长的水墙是一个海上传说，但它只是在过去20年里才被科学证明。最近的研究发现，即使是最大的船只也会严重受损，巨浪的沉没可能比以前想象的更常见。

莱斯大学首席科学家、费耶兹萨罗菲姆物理学和天文学教授兰迪胡莱特说：“我们对自吸波的发展很感兴趣。“虽然我们的实验是在量子领域，但同样的物理学也适用于经典波，包括流氓水波。”

Hulet的实验室使用激光和磁阱将微小的原子气体云冷却到绝对零度的百万分之一以下，温度远低于外层空间的最深处。在这种极端情况下，量子力学效应成为焦点。原子可以同步，瞬间消失，也可以像超导体中的电子一样配对。2002年，Hulet的团队创造了超冷原子物质中的第一列“孤子列车”。当运动时，孤立子不会减少、扩散或改变形状。2014年，Hulet和他的同事展示了两个在陷阱中向相反方向传播的物质波孤子在相互交叉时会短暂闪烁，而不是共享空间。

由于非线性相互作用从排斥到自聚焦的快速切换，一维物质波(顶部)被分成一系列称为孤子(底部)的单独波包。图片来源：阮杰/莱斯大学

2002年和2014年的研究结果与19世纪中期苏格兰工程师约翰斯考特拉塞尔在运河水波孤子中观察到的结果非常相似。他从未失去对孤独的迷恋，并在他家后面的花园里建造了一条模型运河来研究它们。例如，他是第一个证明两个方向相反的波在没有相互作用的情况下相互通过的人。

数学上，孤子是非线性吸引的结果，输入对输出的影响不成比例。任何基于波的非线性系统——无论是深海中的水波还是陷阱中的超冷原子波——都会受到这种和其他常见非线性效应的影响。

在最新的实验中，Hulet、研究科学家Jason Nguyen和研究生De“Henry”lo通过排斥相互作用创造了一种类似雪茄的物质波，称为玻色-爱因斯坦凝聚体。通过快速开关相互作用是有吸引力的，研究人员使气体经历“调制不稳定性”，这是一种非线性效应，其中系统中的小随机扰动被放大。

由于非线性自聚焦和防止相邻孤子碰撞的波动效应，每两毫秒拍摄的孤子序列延迟图像显示了结构如何随时间变化。图片来源：阮杰/莱斯大学

新条款的第一作者阮说：“条件决定了哪些干扰会被放大。”"当这种情况发生时，玻色-爱因斯坦凝聚体将分裂成一系列被离散空间隔开的单孤子."

由此产生的孤子序列最早是由Hulet团队在2002年创造的，但罗表示，这项新的研究是第一个检测系统基本物理特性的实验，从而确定孤子序列的结构是源于初始条件还是动态演化为响应这些条件的系统。Nguyen、罗和Hulet可以通过系统地改变实验条件来回答这个问题，并在整个实验中每两毫秒拍摄一次孤子序列的快照。

“我们发现，在一定条件下，孤子的数量保持不变，”罗说。“这证明了孤子系列的诞生具有稳定的特性，而不是随着时间的推移逐渐演化成如此稳定的结构。”

在不止一项研究中，在过去的十年中，物理学家和数学家试图描述使用数学类似于描述量子系统中疯狂狗波的行为，Hulet说超冷原子实验提供了一个理想的平台来测试流氓波力学对抗新理论。

“即使在大浪盆地，也很难重现海洋中形成流氓孤立波的精确条件，”胡莱说。“人们正在努力做到这一点，但我们可以通过研究孤子在量子而不是经典政体中的形成来了解更多关于孤子形成的知识。”

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