В тёмной камере ловушки тысячи заряженных частиц танцуют под электрическими полями. Сначала они движутся свободно, как толпа на площади, но стоит охладить облако, и танец замедляется: ионы начинают чувствовать друг друга, их шаги становятся скованными. В какой-то момент движение замирает совсем, и облако превращается в подобие жидкости, где каждая частица колеблется на месте, но не может уйти далеко. Этот переход от газа к жидкости впервые удалось увидеть напрямую, измерив скорости всех ионов одновременно.

Долгое время жидкая фаза ионных облаков существовала только в компьютерных симуляциях. Экспериментаторы умели создавать разреженный газ, где ионы почти не взаимодействуют, и кристалл, где они выстроены в жёсткую решётку. Промежуточное состояние, похожее на жидкость, ускользало: чтобы его поймать, нужно измерить скорости тысяч частиц за один миг, не разрушив облако. Группа из Техниона решила эту задачу, построив ловушку с восемью электродами и детектором скоростей, который выбрасывает ионы на люминесцентный экран.

Ключевая хитрость эксперимента в том, что выталкивающее поле однородно: оно сдвигает все скорости одинаково, не искажая их разброс. Физики охлаждали ионы иттербия-174 лазером, затем давали облаку нагреваться от одной миллисекунды до почти восьми секунд. После каждого интервала они делали «мгновенный снимок»: выбрасывали ионы в детектор и получали карту скоростей. По ширине этой карты можно было судить, насколько сильно ионы взаимодействуют друг с другом.

У горячих облаков ионы двигались независимо, как газ, с частотой колебаний около 6,3 килогерца — то есть ион успевает сделать шесть тысяч полных качаний за секунду. По мере охлаждения взаимное отталкивание замедляло движение, и частота падала. При самых низких температурах она обращалась в ноль: ионы застревали на своих местах, сохраняя лишь коллективное дрожание. Это и есть рождение жидкости. Переход наступил при параметре связи Γ = 0,6(1), тогда как симуляции обычно предсказывали Γ ≈ 2. Иными словами, жидкость появляется раньше, чем думали.

Дополнительно авторы нашли порог плотности: при нагреве свыше 510 миллисекунд скорость роста температуры меняла степенной показатель с 0,485(4) на 0,316(2). Это означает, что ниже порога плотность почти постоянна, а выше облако расширяется как газ. Тот самый танец, который начинался как свободное движение толпы, заканчивается тем, что частицы расходятся в стороны, теряя связь друг с другом.