醫學院劉靜教授課題組首次觀察到液態金屬流體宏觀體系中的波粒二...

2020-11-24 清華大學新聞網

清華新聞網6月8日電 近日，清華大學醫學院劉靜教授課題組聯合中國科學院理化技術研究所，在液態金屬基礎研究中取得進展，實驗中首次觀察到了液態金屬流體宏觀體系中的波粒二象性，為藉助金屬流體行為認識量子世界乃至更多物理體系開啟了一條全新的途徑（圖1）。相關成果以「複合導航波場中液態金屬液滴的量子化在軌追逐行為（Quantized orbital-chasing liquid metal heterodimers directed by an integrated pilot-wave field）」為題，在線發表於美國物理學會期刊《物理評論流體》上。

圖1  液態金屬液池表面的量子化軌道和在軌追逐的液態金屬液滴

波粒二象性是指物質在具有粒子特性的同時又會表現出波動特性。量子世界之所以神秘，是因為它充滿了這類讓人難以琢磨的既是粒子又是波的物質。這使得我們無法單獨用粒子或者波動的理論來描述量子世界。玻爾等人提出量子體系中粒子的位置或者狀態是概率性的，可以通過一個波函數來描述。這一觀點逐漸演變成為量子力學的哥本哈根詮釋。與玻爾抽象的概率波概念不同，德布羅意則認為，量子粒子的運動是由實際存在的物質波所導航的。在量子力學的發展過程中，哥本哈根詮釋相比導航波理論一直以來被更多的人所接受。然而，很多人也對玻爾的理論持懷疑態度，其中不乏物理和量子力學權威和大家。例如，愛因斯坦就曾以「上帝不會擲骰子」的觀點來反駁玻爾。2005年法國科學家伊夫·庫代（Yves Couder）的團隊用矽油實現了波粒二象性的實體化，這一發現引發了人們對導航波理論以及量子世界本質的重新思考。

這種所謂流體導航波體系的實驗系統由一個上下振動的液池和「懸浮」在上邊的液滴組成。雖然液池和液滴是同一種液體，但是一種叫作雷諾潤滑的流體效應可以有效的防止兩者的融合。從而液滴可以在液池上維持周期性的彈跳，這場景就像液滴被置於一個流體蹦床上。液滴每一次落到流體蹦床上的時候，都會在液面留下一個以液滴為中心向外擴散的波場。這樣一來，液滴與其在液面上產生的漣漪恰好構成了一個宏觀的波粒二象性體系。來自法國以及美國麻省理工學院的科學家之後在這種矽油體系中陸續發現了液滴的幹涉、遂穿以及圍欄效應等類量子行為。此次清華與中科院理化所聯合小組的研究，開創性的將室溫液態金屬引入流體導航波體系，成功構建了一個複合導航波場對液滴加以引導，由此實現了一系列全新的量子化的液滴在軌追逐行為（圖2）。來自麻省理工學院的約翰·布希教授（John W. M. Bush）在評論這一項工作時指出：「作者們通過引入液態金屬為流體導航波體系研究打開了一扇全新的窗戶」。

圖2  液態金屬液滴在複合導航波場中的在軌追逐運動俯視示意圖

「在之前報導過的矽油體系中，液滴的運動是由液滴自身產生的單一導航波場來導航的。而在我們的體系中，液滴的彈跳和液池邊界的振動會分別產生一個局部導航波和一個全局導航波，這是由於液態金屬的特殊流體性質決定的。」這項研究的第一作者湯劍波博士解釋道，「正因如此，我們能夠實現更豐富更複雜的液滴導航模式」。

正如核外電子繞原子核旋轉的軌道是量子化的一樣，液態金屬液池表面形成的環形全局導航波軌道也具有類似的量子化特徵。因此，在其中追逐的液滴的軌跡是一系列不同直徑的環形軌跡（圖3a）。研究還發現，通過調整兩個液滴之間不同的組合方式，可以實現液滴在軌追逐方向的改變（圖3b）。這種複合導航波場導致的液滴的方向性旋轉可以進一步與泡利不相容原理描述的原子軌道上電子的正向和反向自旋行為類比。

圖3  高速相機拍攝的不同模式下液態金屬液滴的量子化在軌追逐運動（a 不同軌道半徑; b 不同液滴間距）

這些引人入勝的現象的背後是液滴與液池表面的導航波場之間的一系列微妙相互作用。從側面觀察會發現，這些在液面水平方向上旋轉追逐的液滴同時在豎直方向上不停的彈跳。研究發現，如果兩個液滴的大小不相同，他們彈跳的節奏就會不同步。較小的液滴在彈跳過程中總是先於較大的液滴抵達液面。而正是由於這一豎直方向彈跳的不同步引起了液滴水平方向的運動（圖4）。

圖4  液態金屬液滴追逐運動的側視圖

在談到該研究的意義時，劉靜表示：「流體導航波體系在宏觀尺度上向我們展示了一個可能的量子世界。液態金屬的引入一方面將導航波運動進一步擴展到存在另一個外場約束的情形。另一方面，這項工作也將流體的波粒二象性推廣到其它存在粒子和波相互作用的物理體系。例如，在光學系統中曾觀察到與我們系統有著驚人相似性的在軌追逐運動。更令人欣喜的是，這意味著或許可以通過我們的液態金屬導航波體系去認識或者模擬諸如量子體系等複雜的物理系統。」

文章第一作者為清華大學醫學院博士後湯劍波，共同作者還有中科院理化所博士生趙曦。湯劍波和劉靜是本文的共同通訊作者。

文章連結:

https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.5.053603

供稿：醫學院

編輯：李華山

審核：程曦

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