研究揭示導航波場觸發的液態金屬量子化軌道及金屬液滴追逐效應

2020-12-16 中國科學院

　　近日，中國科學院理化技術研究所與清華大學聯合研究小組，在美國物理學會期刊Physical Review Fluids上以《複合導航波場中量子化在軌追逐的液態金屬液滴對》為題，報導了導航波觸發的液態金屬振蕩液池中發生的量子化軌道現象及金屬液滴追逐效應。來自麻省理工學院的教授John W. M. Bush在評論這項工作時認為：「作者們通過引入液態金屬為流體導航波研究打開了一扇全新的窗戶。」

　　在經典的流體力學中，一個放置於豎直方向振動液面上的液滴，會受到自身撞擊液面形成的局部波作用而產生導向性水平運動。這種由流體導航波體系中表面波引導的液滴運動，與量子力學中導航波理論描繪的量子粒子的運動情形有著驚人的相似之處。已經證實的是，流體導航波體系中的懸浮液滴能夠模擬量子領域的一系列神秘行為，例如隧穿、幹涉、衍射等。對這種宏觀層面上波粒二象性的認識，使得流體導航波研究近年來引發科學界的重視。除了量子體系之外，物理系統中普遍存在著波動伴隨的粒子運動，然而這些行為通常要麼發生在極端尺度，要麼需要藉助特殊條件才能實現，這給相應系統中的直接觀測和控制帶來了巨大困難。而對於宏觀的流體導航波體系，由於其驅動參數以及系統結構均可靈活變換，從而為研究波粒二象性及其他物理體系中由波場引導的運動，提供了一種易於實現的途徑。

　　在此之前，已有一部分研究考查了常規流體導航波體系中單個液滴或者多個液滴的動態行為，並探索了它們與量子體系的相似性問題。然而以往對於液滴動態行為的研究通常都局限於單一粒子與導航波之間的相互作用，即液滴運動只受其自身撞擊液面產生的局部導航波的導向而運動。這種單一的導航波情形將液滴運動的驅動條件限制在一個很窄的區間內。為了突破傳統的流體導航波系統結構，也有研究通過調整液池的構造來改變液滴的運動，例如採用具有階梯高度的液池，或者控制容器進行旋轉等。然而這些方法均人為增加了系統結構的複雜度。因此，為了進一步擴展流體導航波理論及研究範疇，在尋找全新液滴運動模式的同時，應避免增加系統和控制的複雜程度。

　　在此項發表的液態金屬導航波體系的研究工作中，作者們開創性地引入了一種具有高表面張力的全新液態金屬液池-液滴系統，利用金屬液池邊界振蕩產生的全局導航波和液滴自身的局部導航波構造複合導航波場（圖1）。研究發現，當兩個大小不同的金屬液滴在液池上相遇時，會自鎖形成共同圍繞液池中心旋轉的液滴對。而且液滴對之間能夠實現不同的自鎖距離，同時液滴對的運動軌跡被鎖定在液池表面所形成的不同半徑的同心環表面波軌道內。更為有趣的是，這些旋轉追逐的液滴對之間的自鎖距離和旋轉軌道半徑，體現出一系列量子化的離散數值。通過調節液滴對的自鎖距離和軌道半徑這一組變量集，可以實現各種各樣的液滴對運動模式（圖1和圖2）。

　　通過進一步的研究，還觀察到液滴對的協同旋轉追逐運動具有方向性：既可以由大液滴追逐較小的液滴，也可以反過來由小液滴追逐大液滴，而追逐的方向取決於兩個液滴之間的自鎖距離。如果兩個液滴彼此相鄰（短程自鎖），則大液滴在後面追逐著小液滴運動；反之，如果液滴彼此遠離（長程自鎖），則大液滴帶頭在前，小液滴在後追逐，追逐方向發生反轉。然而不論對於短程自鎖或者長程自鎖的液滴對而言，其旋轉運動的中心都是液池的中心點，而不是沿著兩個液滴連線的中心點，後者是在常規流體（如矽油）導航波體系中觀察到的液滴繞轉現象。同時需要指出的是，液態金屬液滴對的追逐方向完全決定於兩個液滴的自鎖距離，而不受其它因素的影響（圖3）。而以往發現的液滴對追逐運動方向，是可以通過改變加速度進行調節的。這些液態金屬液滴對的獨特行為意味著液態金屬體系隱藏著新的作用模式。

　　該研究設計了一系列實驗來探究液態金屬液滴對的軌道化追逐效應的背後原理。通過採用高速成像、數字圖像跟蹤、粒子成像測速等方法，作者們揭示了振動的液態金屬液池（圖4和圖5）和彈跳液滴（圖6）的流體力學特性。通過比較幾種不同模態追逐液滴對中單個液滴的豎直運動後發現，兩個液滴的振動始終存在一定的相位差，大液滴撞擊液面的相位總是滯後於小液滴。正是這個相位差的存在使得液滴在撞擊液面時，會受到與其自鎖的另一個液滴的局部導航波的影響，而產生一個水平推動力，從而導致了液滴水平方向上追逐行為的發生（圖7）。同時液滴對的共同運動又會受到液池全局表面波的限制作用，從而被約束在不同的圓形軌道內。這個全局導航波的存在，是將當前系統與其他系統區別開來的根本原因所在，液態金屬液滴對的軌道化旋轉追逐效應，是液滴同時受局部導航波和液池全局導航波場這一複合波場的引導所致。

　　對於液態金屬導航波體系的探索，一方面豐富了流體力學不穩定性的研究範疇和知識，另一方面也極大擴展了流體動力學層面波粒二象性的含義。此項工作中發現的液態金屬液滴對的軌道化追逐運動，與光學系統中納米顆粒對的運動模式具有驚人的相似之處。同時，該研究中提出的複合導航波場的理論和方法，也有望擴展到其它不同類型和規模的物理體系中，例如從微觀世界中的電子對傳輸到宇宙間的行星運動等。

　　以上研究得到國家自然科學重點基金、中科院院長基金及前沿項目等資助。

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圖1. 液態金屬導航波體系及其中液滴對的量子化在軌旋轉追逐運動模式

圖2. 液態金屬液滴對不同運動模式下的軌道旋轉運動軌跡和速度

圖3. 液態金屬液滴對軌道旋轉運動參數的量子化

圖4. 液態金屬液池的豎直振動描述和複合導航波場的刻畫

圖5. 液態金屬液池振動過程中表面形成的渦場及其可視化

圖6. 液態金屬液滴對豎直方向彈跳運動的刻畫

圖7. 液態金屬液滴對不同運動模式下液滴豎直方向彈跳運動相位差與液滴對水平方向軌道旋轉速度的關聯性分析

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