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清华大学医学院刘静教授课题组首次观察到液态金属流体宏观体系中的波粒二象性

清华大学 4个月前

  近日,清华大学医学院刘静教授课题组联合中国科学院理化技术研究所,在液态金属基础研究中取得进展,实验中首次观察到了液态金属流体宏观体系中的波粒二象性,为借助金属流体行为认识量子世界乃至更多物理体系开启了一条全新的途径(图1)。相关成果以“复合导航波场中液态金属液滴的量子化在轨追逐行为(Quantized orbital-chasing liquid metal heterodimers directed by an integrated pilot-wave field)”为题,在线发表于美国物理学会期刊《物理评论流体》上。

清华大学医学院刘静教授课题组首次观察到液态金属流体宏观体系中的波粒二象性

  图1 液态金属液池表面的量子化轨道和在轨追逐的液态金属液滴

  波粒二象性是指物质在具有粒子特性的同时又会表现出波动特性。量子世界之所以神秘,是因为它充满了这类让人难以琢磨的既是粒子又是波的物质。这使得我们无法单独用粒子或者波动的理论来描述量子世界。玻尔等人提出量子体系中粒子的位置或者状态是概率性的,可以通过一个波函数来描述。这一观点逐渐演变成为量子力学的哥本哈根诠释。与玻尔抽象的概率波概念不同,德布罗意则认为,量子粒子的运动是由实际存在的物质波所导航的。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以来被更多的人所接受。然而,很多人也对玻尔的理论持怀疑态度,其中不乏物理和量子力学权威和大家。例如,爱因斯坦就曾以“上帝不会掷骰子”的观点来反驳玻尔。2005年法国科学家伊夫·库代(Yves Couder)的团队用硅油实现了波粒二象性的实体化,这一发现引发了人们对导航波理论以及量子世界本质的重新思考。

  这种所谓流体导航波体系的实验系统由一个上下振动的液池和“悬浮”在上边的液滴组成。虽然液池和液滴是同一种液体,但是一种叫作雷诺润滑的流体效应可以有效的防止两者的融合。从而液滴可以在液池上维持周期性的弹跳,这场景就像液滴被置于一个流体蹦床上。液滴每一次落到流体蹦床上的时候,都会在液面留下一个以液滴为中心向外扩散的波场。这样一来,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。来自法国以及美国麻省理工学院的科学家之后在这种硅油体系中陆续发现了液滴的干涉、遂穿以及围栏效应等类量子行为。此次清华与中科院理化所联合小组的研究,开创性的将室温液态金属引入流体导航波体系,成功构建了一个复合导航波场对液滴加以引导,由此实现了一系列全新的量子化的液滴在轨追逐行为(图2)。来自麻省理工学院的约翰·布什教授(John W. M. Bush)在评论这一项工作时指出:“作者们通过引入液态金属为流体导航波体系研究打开了一扇全新的窗户”。

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  图2 液态金属液滴在复合导航波场中的在轨追逐运动俯视示意图

  “在之前报导过的硅油体系中,液滴的运动是由液滴自身产生的单一导航波场来导航的。而在我们的体系中,液滴的弹跳和液池边界的振动会分别产生一个局部导航波和一个全局导航波,这是由于液态金属的特殊流体性质决定的。”这项研究的第一作者汤剑波博士解释道,“正因如此,我们能够实现更丰富更复杂的液滴导航模式”。

  正如核外电子绕原子核旋转的轨道是量子化的一样,液态金属液池表面形成的环形全局导航波轨道也具有类似的量子化特征。因此,在其中追逐的液滴的轨迹是一系列不同直径的环形轨迹(图3a)。研究还发现,通过调整两个液滴之间不同的组合方式,可以实现液滴在轨追逐方向的改变(图3b)。这种复合导航波场导致的液滴的方向性旋转可以进一步与泡利不相容原理描述的原子轨道上电子的正向和反向自旋行为类比。

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  图3 高速相机拍摄的不同模式下液态金属液滴的量子化在轨追逐运动(a 不同轨道半径; b 不同液滴间距)

  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。从侧面观察会发现,这些在液面水平方向上旋转追逐的液滴同时在竖直方向上不停的弹跳。研究发现,如果两个液滴的大小不相同,他们弹跳的节奏就会不同步。较小的液滴在弹跳过程中总是先于较大的液滴抵达液面。而正是由于这一竖直方向弹跳的不同步引起了液滴水平方向的运动(图4)。

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  图4 液态金属液滴追逐运动的侧视图

  在谈到该研究的意义时,刘静表示:“流体导航波体系在宏观尺度上向我们展示了一个可能的量子世界。液态金属的引入一方面将导航波运动进一步扩展到存在另一个外场约束的情形。另一方面,这项工作也将流体的波粒二象性推广到其它存在粒子和波相互作用的物理体系。例如,在光学系统中曾观察到与我们系统有着惊人相似性的在轨追逐运动。更令人欣喜的是,这意味着或许可以通过我们的液态金属导航波体系去认识或者模拟诸如量子体系等复杂的物理系统。”

  文章第一作者为清华大学医学院博士后汤剑波,共同作者还有中科院理化所博士生赵曦。汤剑波和刘静是本文的共同通讯作者。

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