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从苍穹到微粒——液态金属液滴的无限可能

在你仰望星空时,是否想到过行星运行的规律与原子内部核外电子绕核运动的相似之处,又能否想象科学家在实验室中,也能模拟类似的轨道化的旋转运动?近日,清华大学医学院刘静教授课题组的博士后汤剑波与中科院理化所博士生赵曦将液态金属引入流体导航波体系的研究,实现了一系列全新的量子化的液滴在轨追逐行为。

德布罗意提出的导航波理论为人们描述了一个导航波引导粒子运动的量子世界。在量子力学的发展过程中,哥本哈根诠释相比导航波理论一直被更多的人所接受。2005年,法国科学家用硅油实现了波粒二象性和导航波理论的实体化。这一实验引发了学界对导航波理论的关注以及对量子世界的重新思考。在量子力学理论的天平上,这一发现为导航波理论的一端加上了质量可观的砝码。

流体导航波系统由一个上下振动的液池和悬浮在上面的液滴组成,系统中的液滴虽然和液池属于同一种液体,但通过“雷诺润滑”效应,液滴悬浮其中,二者并不互融。生活中亦有相似现象。下雨时,雨滴落在水面上的瞬间首先会形成一层薄薄的分界,并荡漾出涟漪,随后,水滴和液面才会真正融合。

研究发现,如果液池振动的加速度过小,则系统不足以维持液滴的悬浮;而如果加速度过大,超过液池的法拉第加速度临界值,液池表面则会突然失稳,同样无法悬浮液滴。当液池振动的加速度正好在这个上、下限之间时,液滴激起的涟漪可以为液滴产生助推和导航作用。液态金属作为一种特殊的液体,其液滴与水滴类似,接触到金属液滴的液池同样可以产生水波纹一样的局部导航波。

然而,硅油系统的不足在于该系统对实现液滴行为的驱动加速度要求很苛刻,其悬浮液滴的研究只能限于临界法拉第加速度之下的一个非常小的区间。面对这经典的流体力学不稳定难题,去年一月,汤剑波博士的团队发现,液态金属体系由于能够形成高度规则的图案,即使超过法拉第加速度,金属液滴也能十分稳定地悬浮于液面之上。

相比传统非导电流体,液态金属得益于优良的导电性,借助电场触发,液滴可以随界面的流动而滑移,这便是2017年汤剑波博士及其同事发现的“液态金属冲浪效应”。种种优良特性,让奔涌的金属液滴成为帮助人们认识量子世界和其它物理体系的最佳“后浪”。

在液态金属导航波体系当中,单个液滴在水平方向上保持静止,但当两个大小不同的液滴在液池上相遇时,他们会自动耦合成一个液滴对。当两液滴彼此相邻,大液滴追随小液滴旋转;而当两液滴相远离时,运动会发生转向,此时小液滴追随大液滴旋转。

“我们的预期是先通过实现与之前硅油系统类似的单个液滴的平动,然后再调节产生更复杂的液滴行为。”汤剑波博士坦言,双液滴的神奇现象实属意外所得。

这种复合导航波场导致的液滴方向性旋转,在光学领域也有相似现象。但光学系统只展示过一种模式的旋转追逐,汤博士团队的液态金属流体系统中实现了超过十种模式。

在竖直方向上,两个液滴始终在跳动并自发保持特定的相位差。这是因为在弹跳时液滴和液面都会发生弹性形变,大小不同的液滴“弹簧”的弹簧常数也不一样,相对“笨拙”的大液滴总是晚于小液滴抵达液面。而正是这一差别,引起了液滴水平方向的运动——液滴通过与其耦合的液滴的局部导航波场相互作用获得水平推力,从而在液池中完成追逐和旋转。液滴追逐和旋转的量子化轨道则是由液池液面振动产生的全局导航波场提供的。得益于液态金属体系中局部导航波和全局导航波叠加形成的复合导航波场,其中的液滴运动比以往的硅油系统更丰富、更复杂。

不论宇宙、液滴,还是原子、光粒,波与粒子的相互作用无处不在,从宏观到微观的不同物理系统的相似现象都可以结合粒子与波动的模型进行描述。

“这不是单纯的巧合。”汤剑波博士说。

物理之美,在于普适万物。液态金属液滴,或许就是连接苍穹和微粒的那一座巨大而又精微的科学之桥。


    文字

    王蕴霏


    片设计

    刘雨田 赵存存


    编审
    戚天雷   周襄楠

    张歌明   张莉


    栏目统筹

    周襄楠