金属液滴也能“在轨追逐”

雨滴滴落在水面上，荡起一圈圈涟漪——这种反常的不融合现象让物理学家们为之着迷。（资料图片）

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）。 （资料图片）

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》上发表论文，揭示了液态金属导航波体系中的宏观波粒二象性——在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。

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经济日报记者：“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。”

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首次提出了“万物皆波”的大胆猜想，认为与光一样，一切物质均具有波粒二象性。波粒二象性是量子力学发展的基石。基于此，德布罗意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，其运动由一个导航波场来引导。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。这种液滴运动，与量子力学中导航波理论描绘的量子粒子运动情形有着惊人相似之处。

对此，我们可以回忆一下下雨天。那时，你是否看见过雨滴在水潭上激起转瞬即逝的涟漪？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。

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。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——实现悬浮的秘诀就在于，让液面与液滴都动起来。

论文第一作者汤剑波博士介绍，在研究中，普遍采用的是经典法拉第实验手段，即让一个液池在竖直方向上受控振动。这样一来，置于液池表面上的液滴会随着液面振动，发生周期性弹跳，继而阻止二者融合。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，均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波粒二象性体系。

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与运动模式被形象比拟为“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粒子，有着很多相似之处。

先前研究表明，这种流体导航波体系中的悬浮液滴能模拟量子领域的一系列神秘行为，例如隧穿、干涉等。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重视。

液滴CP，如何舞

为什么如此重视？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，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，已有研究考查了常规流体导航波体系中单个或者多个液滴的动态行为，但均具有缺点：有的仅局限于单液滴、单个导航波场，有的又让系统结构过于复杂化了——因此，科学家们想寻找一种全新液滴运动模式。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？这正是来自中国研究人员想要探究的问题。

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，极低的黏性等。对此，研究团队设计了一个液态金属导航波系统，来研究其宏观波粒二象性。

“流体性质差异的确带来了不同的实验结果。但是，起初观察到的情景让人有点失望——我们无法在液态金属系统中重现液滴的‘行走’状态。而此前研究表明，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：“然而，在尝试向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。

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沿着以液池的中心为圆心的同心圆环旋转。其次，液滴对做旋转运动具有方向性。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，也可以是小液滴追逐着大液滴旋转。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，液滴对则采取前一种旋转模式；反之，如果液滴彼此远离，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，具有不同轨道半径和不同自锁距离，且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，这既使我联想到了微观核外电子围绕原子核的运动，又将其与广袤无际的宇宙天体运行联系起来。”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。

研究发现，在所有液态金属液滴对中，小液滴在弹跳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液态金属的独特流体特性所导致的。”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。”

该团队分别对液态金属液池和液滴的动力学行为开展了深入研究。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，与之前仅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局部导航波场相互作用获得水平推力。”

研究人员还提出了一个针对复合导航波场的粒子—导航波关联框架，从而很好解释了所观察到的实验现象。他们认为，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双导航波场中的在轨追逐运动，与光学系统中纳米粒子对的运动模式具有惊人相似性。”汤剑波指出：“这意味着，我们很可能在更多物理体系中发现类似运动，或者用统一的理论去理解不同物理体系的运动。”

“我们也看到了一种可能性，即可以通过简单振动一个液态金属液池来模拟其他体系中的运动。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。”刘静教授补充道。