Бассейн с маслом помог получить гидродинамический аналог сверхизлучения

Американские физики продемонстрировали гидродинамический аналог сверхизлучения — хорошо известного эффекта из квантовой оптики. В роли атомов в эксперименте выступили два углубления на дне бассейна, заполненного маслом. Углубления действовали как резонаторы, усиливающие поверхностные волны, над которыми образовывались капли. Физики не только обнаружили эффект модуляции скорости образования капель с расстоянием, но и увидели антикорреляционные свойства в такой системе, что можно использовать для вероятностных гидромеханических вычислений. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Явление квантовой суперпозиции заложено в самом сердце квантовой механики. Математически оно основано на том, что поведение частиц можно описывать с помощью волновых функций. Поскольку волновой характер имеет множество физических систем и платформ, в том числе чисто классических, ученые часто встречают среди них аналоги сугубо квантовых явлений.

Самыми простыми волнами, с которыми сталкиваются экспериментаторы, по сей день остаются волны на поверхности воды, но даже с их помощью можно искать такие аналоги. Мы уже рассказывали, как физики изучают гидродинамические версии поверхностных плазмон-поляритонов, спиновых решеток и даже черных дыр. Сообщалось также о наблюдении водных аналогов эффекта Казимира, эффекта Ааронова — Бома, квантования орбитального момента и многое другое.

На этот раз физики из Массачусетского технологического института под руководством Джона Буша (John Bush) сообщили о наблюдении гидродинамического аналога сверхизлучения. В их опыте в роли излучения выступало самопроизвольное отделение капель в определенных точках бассейна под действием поверхностных волн. Ученые не только убедились, что близость двух источников ускоряет испускание капель, но и увидели, что скорость этого процесса периодически зависит от дистанции, ровно так, как это происходит в квантовой оптике.

Сверхизлучение — это увеличение скорости излучения света ансамблем скоррелированных атомов по сравнению с излучением поодиночке. Это явление было предсказано и обнаружено еще во второй половине XX века. В 1996 году физики в опытах с плененными ионами увидели, что эффект может быть модулирован расстоянием между источниками излучения вплоть до замедления эмиссии (субизлучения).

Для наблюдения гидродинамического аналога такой модуляции авторы наполняли небольшой круглый бассейн с акриловым дном тонким (0,75 миллиметра) слоем фторированного масла. В дне физики высверливали два отверстия диаметром семь и глубиной шесть миллиметров, которые служили в качестве резонаторов для волн. Они подготавливали несколько вариантов дна, различающихся расстоянием между резонаторами в диапазоне от 8 до 12 миллиметров. Происходящее над резонаторами авторы снимали на высокоскоростную камеру.

Весь бассейн ученые помещали на электромагнитный шейкер, раскачивающий его с частотой 39 герц. Авторы так подбирали амплитуду раскачки, чтобы большую часть бассейна покрывала фарадеева рябь, но над резонаторами усиление было настолько большим, что от поверхности отрывались капли. Каждый резонатор создавал вторичные волны, которые достигали соседа и приводили к интерференции. Таким образом, резонаторы влияли на вероятность отрыва капель друг у друга.

И хотя сложная картина волн исключала какую-либо точную попытку предсказания отрыва капель, статистика их рождения в целом подчинялось обратному гауссовскому распределению. Это позволило физикам вычислить скорость «излучения» как количество рожденных капель в секунду. Строя разницу между этой величиной и частотой отрыва для изолированного резонатора в зависимости от расстояния, авторы увидели периодическое поведение, которое описалось квадратом косинуса с волновым вектором, соответствующим возбужденным в бассейне волнам.

Оказалось, что испускание капель в целом ощутимо антикоррелировано. Авторы связывают это с тем, что отрыв капли на короткое время уменьшает количество жидкости в области резонаторов, что снижает вероятность второго «излучения» вместе с первым. Вкупе с эффектом сверхизлучения такая антикорреляция открывает дорогу к использованию отрыва капель в качестве платформы для вероятностных вычислительных операций в гидромеханике.

Ранее мы рассказывали про то, что водовороты на поверхности воды могут усиливать проходящие через них волны. Этот эффект напоминает сверхизлучения вблизи черных дыр.