中国科学家发现液态金属宏观系统存在波粒二象性
金属液滴在轨道上也可以被追逐
经济日报& middot中国经济网记者严慧敏

通过实验观察到的金属液滴对在轨旋转追踪运动(俯视图)。左右图分别显示了短程自锁液滴对和长程自锁液滴对(箭头表示液滴运动的方向)。(数据图片)

生活中，很多人会成为两颗星星的cp(配对)粉。但是你知道吗，中国科学家在实验室发现液态金属液滴甚至可以锁住cp，在轨道上追逐它。这是科学家首次发现液态金属宏观系统中波粒二象性引起的液滴协同运动，对于探索和理解原子层面的电子自旋行为乃至宇宙尺度的行星运动具有启示意义。

近日，清华大学和中科院理化所刘晶教授的研究团队在美国物理学会期刊《物理评论流体》上发表论文，揭示了液态金属导航波系统中的宏观波粒二象性发生在导航波触发的液态金属振荡液池中，发生了量子轨道现象和金属液滴追逐效应。

这是科学家第一次发现液态金属宏观系统中，由于类波粒二象性引起的液滴协调运动行为。清华大学医学院生物医学工程系教授、中科院理化所双聘研究员刘晶告诉《经济日报》记者:特别是金属液滴在轨道上的追逐行为非常有趣生动，对于探索和理解原子层面的电子自旋行为乃至宇宙尺度的行星运动有一定的启示。

一切都是一波，你觉得呢

什么是导航波？这是量子力学中的一个概念。

1924年，法国科学家德布罗意首次提出了一切都是波的大胆猜想，认为一切物质和光一样，都具有波粒二象性。波粒二象性是量子力学的基石。基于此，德布罗意提出了描述量子世界运动的导航波理论。根据这一理论，电子等量子粒子的运动是由导航波场引导的。几年后，物理学家发现了一个与德布罗意导航波理论有惊人相似之处的宏观系统，即流体导航波系统。

在经典流体力学中，放置在垂直振动的液面上的液滴可以在液面上连续反弹而不合并。此外，这种不混溶的液滴会受到自身撞击液体表面形成的局部波，从而导致水平运动。这种液滴运动与量子力学中导航波理论描述的量子粒子运动惊人地相似。

我们可以回忆起雨天。那时候，你见过雨滴在池里激起转瞬即逝的涟漪吗？一些撞击在水面上的水滴不会立即与水面融合，而是会在水面上停留一段时间。

这种异常的不整合以及背后丰富的动力学知识曾经让物理学家着迷。发现非聚变效应是由液滴与被另一层介质(如空气体)隔开的液体表面碰撞引起的。非聚变现象的存在也使科学家能够利用液面悬浮液滴。秘诀是让液体表面和液滴移动。

论文第一作者唐建波博士介绍，在研究中，广泛采用经典法拉第实验，即控制一个液池垂直振动。这样，放置在液池表面的液滴会随着液面振动，周期性地反弹，从而防止两者融合。在这样的液滴池系统中，每一次弹跳的液滴碰到振动的液池，就会在液池表面留下一个以液滴为中心向外扩展的局域波场。液滴及其在液面上的波纹正好构成宏观的波粒二象性系统。

【/h/】垂直方向跳跃的液滴通过与其局部导航波的相互作用得到水平方向的推力，产生位移。这种液滴的自增压状态和运动模式与步行相比。行走液滴与量子力学中导航波理论描述的量子世界粒子有很多相似之处。

以往的研究表明，这种流体导航波系统中的悬浮液滴可以模拟量子场的一系列神秘行为，如隧穿、干涉等。近年来，由于对这种波粒二象性的宏观理解，流体导航波的研究引起了科学界的关注。

小滴cp，怎么跳舞

你为什么这么重视它？因为其他的研究途径太难了:除了量子系统之外，伴随着涨落的粒子运动在物理系统中也很常见，这些行为通常发生在极端的尺度上或者需要特殊的条件才能实现，给直接的观测和控制带来很大的困难。对于宏观流体导航波系统，其驱动参数和系统结构可以灵活改变，易于实现。

以往的研究已经考察了常规流体导航波系统中单个或多个液滴的动力学行为，但都有不足之处:有的局限于单个液滴和单个导航波场，有的使系统结构过于复杂。因此，科学家们希望找到一种新的液滴运动模式。现在，中国科学家已经做到了。

【/h/】流体导航波系统遇到被称为终结者流体的液态金属会发生什么？这正是中国研究者想要探索的。

【/h/】与经典流体导航波系统中使用的常规流体如硅油相比，室温液态镓铟合金具有独特的流体特性，如密度大、表面张力大、粘度极低等。为了解决这个问题，研究小组设计了一种液态金属导航波系统，研究其宏观波粒二象性。

流体性质的不同确实带来了不同的实验结果。不过刚开始观察到的景象有点让人失望。我们无法再现液态金属系统中的液滴。行走状态。先前的研究表明& lsquo行走是刺激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唐建波博士说:然而，当我们试图在液态金属系统中加入第二滴时，我们立即变得兴奋起来。

【/h/】证明了虽然单个液态金属液滴在水平方向保持静止，但当两个不同大小的液滴在液池相遇时，会自动耦合(自锁)成液滴对，然后在液池中旋转。

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新颖的特征:第一，这些液滴对总是精确地沿着以液池中心为中心的同心环旋转。其次，液滴对在旋转运动中具有方向性。液滴的协同运动可以是大液滴追小液滴，也可以是小液滴追大液滴。而追的方向取决于两个液滴之间的自锁模式。

如果两个液滴相邻，则液滴对采用前一种旋转方式；相反，如果液滴之间距离较远，液滴对会采用后者的旋转方式，追逐方向会反过来。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，两者都具有明确的量化数值特征。

看到这些活跃的金属液滴在具有金属光泽的液池表面追逐打转，不仅让我想起了微核外电子围绕原子核的运动，还把它与浩瀚宇宙天体的运行联系起来。该书的合著者、博士生赵茜说。

幕后应该是谁

这些引人入胜的现象背后，是水滴与水池表面的导航波场之间一系列微妙的相互作用。

【/h/】发现在所有成对的液态金属液滴中，小液滴总是先于与之耦合的大液滴到达液面。正是因为垂直反弹的不一致性，液滴才会水平运动。

这种多样化的液滴量化、轨道和方向的液滴运动在以前的系统中从未观察到，我们认为这些液滴行为是由液态金属独特的流体特性引起的。指导这项研究的刘晶教授说:我们设计了一系列实验来揭示其潜在的原理和机制。

该团队对液态金属池和液滴的动态行为进行了深入研究。他们发现这种特殊的运动方式起源于液滴与池中表面波的相互作用。

然而，与以前只有一个导航波场的系统不同，由于液态金属本身的特殊表面张力，我们目前的系统将产生第二个全球导航波场。刘晶解释说:此外，在我们的系统中，液滴通过与其耦合的局部导航波场的相互作用获得水平推力。

研究人员还提出了复合导航波场的粒子导航波关联框架，很好地解释了观测到的实验现象。他们认为，液态金属导航波系统的探索一方面丰富了流体动力学不稳定性的研究范围和知识，另一方面也极大地拓展了流体动力学中波粒二象性的含义。

例如，我们发现双导航波场中液态金属液滴对的在轨追踪运动与光学系统中纳米粒子对的运动模式惊人地相似。唐剑波指出，这意味着我们可能在更多的物理系统中发现相似的运动，或者用统一的理论来理解不同物理系统的运动。

我们还看到了一种可能性，我们可以通过简单地振动液态金属池来模拟其他系统中的运动。相信液态金属的导航波系统还有很多值得探索的科学问题。刘晶教授补充道。

佘惠民