经济日报|金属液滴：成双成对，在轨追逐

_本文原题：金属液滴：成双成对，在轨追逐
很多人追明星时，会成为两个明星的CP（配对）粉。但是你知道吗，我国科学家在实验室里，发现液态金属的液滴居然也能锁定CP ，在轨追逐！
近日，来自清华大学和中国科学院理化技术研究所的刘静教授研究团队，在美国物理学会期刊《物理评论流体》（Physical　Review　Fluids）上发表了一篇论文：《复合导航波场中量子化在轨追逐的液态金属液滴对》。他们的实验揭示了液态金属导航波体系中的宏观波粒二象性，导航波触发的液态金属振荡液池中发生了量子化轨道现象及金属液滴追逐效应。

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这是科学家首次在液态金属宏观体系中发现类波粒二象性现象导致的液滴协同运动行为。清华大学医学院生物医学工程系教授、中国科学院理化技术研究所双聘研究员刘静告诉采访人员， “特别是其中的金属液滴在轨追逐行为十分有趣生动，对于探索认识从原子层级的电子自旋行为乃至宇宙尺度的行星运动问题均有一定启示。 ”
来自麻省理工学院的教授John W.M.Bush在评论这项工作时表示：“作者们通过引入液态金属，为流体导航波研究打开了一扇全新的窗户。 ”
万物皆波，怎么看？
什么是导航波？这是一个量子力学中的概念。
1924年，法国科学家德布罗意在其博士论文中提出了“万物皆波”的大胆猜想，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。这使他在短短五年后获得了诺贝尔物理学奖。
波粒二象性是量子力学发展的基石。基于物质的波粒二象性，德布罗意进一步提出了导航波理论来描述量子世界的运动情形。根据这一理论，量子粒子（比如电子）的运动是由一个导航波场来引导的。若干年后，物理学家们找到了与德布罗意导航波理论有着惊人相似之处的宏观体系，即流体导航波体系。
在经典的流体力学中，一个放置于竖直方向振动液面上的液滴能够持续在液面上弹跳而不发生融合。进一步的，这类不融合液滴会受到自身撞击液面形成的局部波作用而产生导向性水平运动。这种由流体导航波体系中表面波引导的液滴运动，与量子力学中导航波理论描绘的量子粒子的运动情形有着惊人的相似之处。
如果你觉得还是不懂，没关系，可以回忆一下童年的下雨天。那时，你是否看见过雨滴在水潭上激起转瞬即逝的涟漪？充满好奇心的孩子可能会注意到，击打在水面上的液滴有一些并不会立即与水面融合，而是会在水面上滞留一段时间。

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【经济日报|金属液滴：成双成对，在轨追逐】这种反常的不融合现象及其背后的丰富的动力学知识，一度让物理学家们为之着迷。研究发现，不融合效应的产生，是由于液滴与液面之间的碰撞会被另外一层介质（例如空气）隔开所致。在液滴与液面不断逼近的过程中，这层介质通过一种被称之为雷诺润滑的作用，阻止了液滴与液面的融合。在雷诺润滑过程中，你可以把间隔在液滴和液面之间的这层空气层想象成一种特殊的弹簧。不融合现象的存在，也使得科学家们能够用液体表面来“悬浮”液滴，而实现悬浮的秘诀就在于让液面和液滴都动起来。
论文的第一作者汤剑波博士介绍，在研究中普遍采用的是经典的法拉第实验手段，即让一个液池在竖直方向上受控振动（通常为简谐振动）。这样一来，置于液池表面上的液滴就会随着液面的振动，发生周期性的弹跳，继而阻止二者的融合。在这样的液滴－液池系统中，弹跳的液滴每次撞击振动的液池时，都会在液池表面留下一个以液滴为中心，向外扩散的局部波场。液滴与其在液面上产生的涟漪，恰好构成了一个宏观的波粒二象性体系。分页标题
在竖直方向跳动的液滴通过与其局部导航波的相互作用，获得水平方向的推力从而产生位移。这一液滴的自我助推状态和运动模式被形象的比拟为“行走” 。行走的液滴，与量子力学中导航波理论描述的量子世界的粒子，有着很多相似之处。
更令人惊讶的是，先前的研究表明，这种流体导航波体系中的悬浮液滴能够模拟量子领域的一系列神秘行为，例如隧穿、干涉、衍射等。对这种宏观层面上波粒二象性的认识，使得流体导航波研究近年来引发科学界的重视。
液滴CP ，如何舞？
为什么这么重视？因为其他研究途径都太困难了：除了量子体系之外，物理系统中普遍存在着波动伴随的粒子运动，然而这些行为通常要么发生在极端尺度，要么需要借助特殊条件才能实现，这给直接观测和控制带来了巨大困难。而对于宏观的流体导航波体系来说，其驱动参数及系统结构均可灵活变换，易于实现。
此前，已有部分研究考查了常规流体导航波体系中单个液滴或者多个液滴的动态行为，并探索了它们与量子体系的相似性问题。但这些研究也有缺点，有的只局限于单液滴、单个导航波场，有的又让系统结构过于复杂化了。
所以，科学家们都想寻找一种全新液滴运动模式，它既不是单个导航波场，又要避免增加系统和控制的复杂程度。现在，中国科学家们做到了！
当流体导航波体系遇到被称作“终结者”流体的液态金属时，会发生什么？这正是来自清华大学和中国科学院理化技术研究所的研究人员想要探究的问题。
与经典的流体导航波系统中使用的常规流体（例如硅油）相比，室温液态金属镓铟合金具有独特的流体特性，如极大的密度和表面张力，极低的粘性等。考虑到这些流体特性对液池及液滴的运动都具有显著的影响，研究团队设计了一个液态金属导航波系统（图1），来研究其中的宏观波粒二象性。

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图1.　液态金属导航波体系。在复合导航波波场的驱动下，两个不同大小的金属液滴在竖直振动的液池表面上产生量子化、方向性在轨旋转追逐运动。
“流体性质的差异的确带来了不同的实验结果。但是一开始观察到的情景却让我们有点失望，因为我们无法在液态金属系统中重现液滴的‘行走’状态。而之前的研究表明，实现液滴的‘行走’是激发液滴水平运动和其他更复杂行为的先决条件。 ”这项工作的第一作者汤剑波博士说道， “然而，在尝试着向我们的液态金属系统中加入第二滴液滴的那一刻，我们立即变得兴奋起来。 ”事实证明，虽然单个液态金属液滴在水平方向上保持静止，但是当两个大小不同的液滴在液池上相遇时，它们会自动耦合（自锁）成一个液滴对，并随即在液池中旋转起来（图2）。

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图2.　实验观察到的金属液滴对的在轨旋转追逐运动（俯视图）。左、右图分别显示一个短程自锁的液滴对和一个长程自锁的液滴对（箭头指示液滴运动方向）。
所以，这金属液滴是单身狗时就宅家不肯动，一旦配对就会跳双人舞撒狗粮？
研究人员还发现，液态金属体系中液滴的协同运动表现出一系列十分新奇的特征。
首先，这些液滴对总是精确地沿着以液池的中心为圆心的同心圆环旋转，仿佛它们被锁定在这些环形轨道中。
其次，研究小组发现，液滴对作旋转运动具有方向性（图3）。

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图3.　实验观察到的液态金属液滴对运动的侧视图（对应图2 ，箭头指示液滴运动方向）。分页标题
液滴的协同运动既可以是两者中的大液滴追逐着小液滴旋转。
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也可以是小液滴追逐着大液滴旋转。
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而追逐的方向取决于两个液滴之间的自锁模式。如果两个液滴彼此相邻（短程自锁），液滴对则采取前一种旋转模式；反之，如果液滴彼此远离（长程自锁），液滴对则采取后一种旋转模式，追逐方向发生反转。更有趣的是，液态金属液滴对的旋转和追逐运动，具有不同的轨道半径和不同的自锁距离。并且这两者均具有明确的量子化数值特性。
“看到这些活泼的金属液滴在闪烁着金属光泽的液池表面上追逐和绕转，对我来说是非常棒的视觉体验，这既使我联想到了微观的核外电子围绕原子核的运动，同时又使我将其与广袤无际的宇宙中的天体运行联系起来。 ”此项工作的共同作者博士生赵曦说。
幕后推手，应是谁？
这些引人入胜的现象的背后，是液滴与液池表面的导航波场之间的一系列微妙相互作用。
从侧面观察这些在液面上旋转的液滴在竖直方向上的跳动过程会发现，其频率与液池的上下振动频率相同。但由于两个液滴的大小不同，它们弹跳的节律并不一致。
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研究发现，在所有的液态金属液滴对中，小液滴在弹跳过程中总是先于与之耦合的大液滴“抵达”液面。而正是由于这一竖直方向弹跳的不一致，引起了液滴水平方向的运动。
“之前的系统中从没有观察到这样高度多样化的液滴量子化、轨道化、定向性的液滴运动，我们相信这些液滴行为的出现是因液态金属的独特流体特性带来的。 ”指导该研究的刘静教授说， “我们设计了一系列实验来揭示其潜在原理和机制。 ”
该团队结合了高速成像、数字图像跟踪、粒子成像测速和其它方法，分别对液态金属液池和液滴的动力学行为进行了深入研究。他们发现这种特殊的运动模式源于液滴与液池表面波之间的相互作用。
“但是，与之前只存在单个导航波场的系统不同，我们当前的系统由于液态金属自身存在的超常表面张力，会产生第二个全局导航波场。 ”刘静解释说， “此外，在我们的系统中，液滴是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，而不是与自身产生的导航波场相互作用。 ”
在发表的论文中，研究人员提出了一个针对复合导航波场的粒子—导航波关联框架，从而很好的解释了所观察到的实验现象。
研究人员认为，对于液态金属导航波体系的探索，一方面丰富了流体力学不稳定性的研究范畴和知识，另一方面也极大扩展了流体动力学层面波粒二象性的含义。
“例如，我们发现液态金属液滴对在我们的双导航波场中的在轨追逐运动，与光学系统中的纳米粒子对的运动模式具有惊人的相似性。 ”汤剑波博士指出， “两个系统相似性的本质原因，在于两个系统的粒子运动都是由波场所介导的，虽然它们各自的物理相互作用有着本质的区别。这同时意味着我们很可能在更多的物理体系中发现类似的运动，或者用统一形式的理论去理解不同物理体系的运动。 ”
刘静教授补充说道， “我们在这里也看到了一种可能性，即可以通过简单地振动一个液态金属液池来模拟其它体系中的运动，比如从微观世界中的电子运动，到宇宙中的行星运动。我相信，液态金属导航波体系中肯定还存在很多值得探索的科学问题。 ”