Порождение волновой турбулентности в дипольных газах при пересечении фазовых переходов

Почему квантовые рябь может перейти в турбулентность

Когда мы думаем о турбулентности, перед глазами возникают штормовое небо или бурлящий океан, а не облака атомов, охлаждённые до миллиардной доли градуса над абсолютным нулём. Тем не менее в этом исследовании показано, что даже такие хрупкие квантовые газы могут стать турбулентными по поразительно универсальному закону. Возбуждая экзотическое состояние материи — «суперсолид», состоящее из сильно намагниченных атомов, — авторы наблюдают, как его упорядоченная структура разрушается в турбулентное море волн и раскрывают, как энергия переходит между масштабами в квантовом мире.

Странное состояние между твёрдым и жидким

Работа сосредоточена на ультрахолодных газах атомов диспрозия, магнитный момент которых обеспечивает относительно длиннодействующее взаимодействие. При подходящих условиях эти атомы образуют крошечные самосвязанные капли, которые при этом сохраняют единый без трения поток — гибридную фазу, известную как суперсолид. Она сочетает кристаллоподобный порядок (повторяющиеся пиковые плотности) и сверхтекучее поведение (масса может течь без сопротивления). Такое необычное сочетание делает суперсолиды идеальной площадкой для изучения того, как структурированная квантовая материя реагирует при сильном удалении от равновесия.

Прогон системы через её квантовые фазы

В численных моделях исследователи удерживают около восьмидесяти тысяч атомов диспрозия в сигарообразной трёхмерной гармонической «чаше». Затем они периодически меняют силу атомных взаимодействий — приём, который современные эксперименты реализуют с помощью магнитных полей. Модулируя это взаимодействие, они вынуждают газ многократно пересекать фазовые границы: от суперсолида к обычному сверхтекучему состоянию, от сверхтекучего обратно к суперсолиду и от суперсолида к решётке почти изолированных капель. Такое периодическое возбуждение вводит энергию в систему контролируемым образом, как если бы встряхивали сосуд с водой на выбранной частоте.

От упорядоченных узоров к турбулентным волнам

По мере действия возбуждения первоначальная аккуратная гексагональная решётка капель начинает «таять». Кристаллическая симметрия нарушается, участки высокой плотности смещаются и сливаются, а в фоновом поле жидкости появляются и исчезают мелкие пары вихрей. Со временем детальная структура капель стирается, и газ приобретает нерегулярную рябь плотности, похожую на ту, что наблюдается в немагнитных сверхтекучих при «волновой турбулентности». Вместо того чтобы доминировать за счёт вихрей и завихрений, этот вид турбулентности определяется нелинейными волнами, которые обмениваются энергией и частицами на широком диапазоне длин волн.

Универсальные отпечатки турбулентного каскада

Для диагностики турбулентности авторы анализируют распределение атомов по импульсам, что соответствует «волнистости» паттернов плотности. Они обнаруживают, что на поздних стадиях это распределение становится практически изотропным и подчиняется простому степенному закону: интенсивность убывает примерно как некоторое постоянное отрицательное степенное зависимость от импульса. Аналогичное степенное поведение проявляется и в спектре кинетической энергии. В совокупности эти признаки указывают на прямой энергетический каскад — энергия течёт от больших, медленно меняющихся структур к всё более мелким рябям. Удивительно, но ключевые показатели (экспоненты), описывающие это масштабирование, сходятся к похожим значениям независимо от того, начиналась ли система как суперсолид, сверхтекучая жидкость или массив капель, и независимо от точной частоты возбуждения.

Суперсолиды: быстрый путь к турбулентности

Главный результат в том, что суперсолиды достигают турбулентного состояния быстрее, чем обычные сверхтекучие. Поскольку суперсолиды по своей природе поддерживают возбуждения на более высоких импульсах — это связано с впадиной в спектре возбуждений, известной как «ротонный минимум» — их начальное распределение по импульсам уже простирается дальше в область больших волновых чисел. Это даёт каскаду энергии фору: так называемый фронт каскада, отмечающий продвигающийся край турбулентного спектра, расширяется во времени по универсальному степенному закону, но стартует с больших импульсов в случае суперсолида. Даже при учёте реалистичных трёхтелесных потерь (которые постепенно удаляют атомы из плотных областей) проявляется то же турбулентное масштабирование, хотя компоненты с наибольшими импульсами затухают сильнее.

Что это значит в более широкой перспективе

Для неспециалиста главное сообщение таково: турбулентность в квантовом мире подчиняется удивительно универсальным правилам, даже в системах с дальнодействующими, сильно направленными взаимодействиями и экзотическими фазами типа суперсолидов. Показав, что одинаковый тип волновой турбулентности возникает при разных начальных состояниях и выживает при реалистичных потерях, эта работа открывает путь для лабораторных исследований турбулентных каскадов с помощью настраиваемых квантовых газов. Такие эксперименты могут помочь связать наше понимание турбулентности от холодноатомных систем до плазм, океанов и астрофизических потоков, выявляя глубокие общности в том, как энергия перемещается и структуры распадаются в природе.

Цитирование: Bougas, G.A., Mukherjee, K. & Mistakidis, S.I. Generation of wave turbulence in dipolar gases driven across their phase transitions. Commun Phys 9, 54 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02487-w

Ключевые слова: квантовая турбулентность, суперсолид, дипольный конденсат Бозе — Эйнштейна, волновой каскад, ультрахолодные атомы