Představ si déšť – kapky vody narážející na okno, rozbíhající se do stran, slučující se a opět dělící. Tento jev známe všichni, ale jeho fyzikální podstata je hlubší, než se zdá. A nyní si představ, že něco podobného – kapky tvořené nikoliv vodou, ale atomy v ultrachladném stavu – bylo poprvé pozorováno v kvantovém světě. Vědci tak zachytili jev, který pojmenovali „kvantový déšť“.

Most mezi světy: od molekul ke kvantům

Tento pozoruhodný experiment provedli výzkumníci ze Španělska a Itálie s plynem tvořeným izotopy draslíku-41 a rubidia-87. Podařilo se jim vytvořit ultrachladný stav, ve kterém atomy ztrácí svou individualitu a začínají se chovat jako jedna jediná kvantová entita – oblak bosonů. V takovém prostředí nastávají fluktuace energie a potenciálu, které vedou k formování kapek. A právě jejich rozpad, připomínající déšť, byl poprvé detailně zaznamenán.

Skrytá pravidla kapkové nestability

V klasických kapalinách – třeba u vody – se kapky dělí kvůli jevu známému jako Plateau-Rayleighova nestabilita. Je to výsledek nerovnováhy v povrchovém napětí a gravitačních silách. V kvantovém plynu však nehraje hlavní roli gravitace, ale kvantová korekce známá jako Lee-Huang-Yangův efekt, který způsobuje odpudivou sílu mezi částicemi. Tato síla pak narušuje jednotný kvantový oblak a rozděluje jej na jednotlivé kapky.

Poprvé s takovou přesností

Zatímco kvantové kapky byly dříve zaznamenány, jejich nestabilita a krátká existence bránily podrobnému výzkumu. Tentokrát však kapky přetrvaly desítky milisekund – dost dlouho na to, aby je mohli vědci analyzovat. Při uvolnění kvantového plynu do úzkého vlnovodu – prostoru, který omezuje jeho pohyb – došlo ke vzniku několika oddělených kapek. Ty se lišily velikostí podle počtu atomů a jejich vazebné energie, přesně podle teoretických předpovědí.

a) Schéma experimentálního uspořádání. b) Časování nestabilit, které byly do ultrachladného plynu zavedeny za účelem jeho fragmentace. c) Absorpční data pro draslík, znázorňující načasování fragmentace v milisekundách. (Cavicchioli et al., Physical Review Letters, 2025)

Nové možnosti kvantových technologií

Fyzici Luca Cavicchioli a Chiara Fortová, kteří výzkum vedli, vidí v tomto objevu víc než jen exotický jev. Podle nich se otevírá cesta k vytvoření stabilních polí kvantových kapek, které by mohly být využitelné v kvantových technologiích. A přitom vychází z fenoménu, který známe ze světa deště – jen tentokrát v podmínkách, kde nevládne voda, ale čistá kvantová pravděpodobnost.

Kombinací experimentálních dat a numerických simulací se jim podařilo ukázat, že kapilární nestabilita – známá z běžného světa – se uplatňuje i na nejmenších škálách. Kvantový déšť tak není jen poetický výraz. Je to skutečný jev, který propojuje naši každodenní zkušenost s nejhlubšími zákony vesmíru.

Zdroj k hlubšímu bádání

Dynamical Formation of Multiple Quantum Droplets in a Bose-Bose Mixture