我國科學家在液態金屬宏觀體系中發現類波粒二象性現象——
金屬液滴也能“在軌追逐”
經濟日報·中國經濟網記者 佘惠敏
實驗觀察到的金屬液滴對的在軌旋轉追逐運動（俯視圖）。左、右圖分別顯示一個短程自鎖的液滴對和一個長程自鎖的液滴對（箭頭指示液滴運動方向）。 （資料圖片）
在生活中，很多人會成為兩個明星的“CP（配對）粉”。但你知道嗎——我國科學家在實驗室裏，發現液態金屬的液滴居然也能鎖定“CP”，在軌追逐。這是科學家首次在液態金屬宏觀體系中發現類波粒二象性現象導致的液滴協同運動行為，對於探索認識原子層級的電子自旋行為乃至宇宙尺度的行星運動問題均有啓示。
近日，來自清華大學和中國科學院理化技術研究所的劉靜教授研究團隊，在美國物理學會期刊《物理評論流體》上發表論文，揭示了液態金屬導航波體系中的宏觀波粒二象性——在導航波觸發的液態金屬振盪液池中，發生了量子化軌道現象及金屬液滴追逐效應。
這是科學家首次在液態金屬宏觀體系中發現類波粒二象性現象導致的液滴協同運動行為。清華大學醫學院生物醫學工程系教授、中國科學院理化技術研究所雙聘研究員劉靜告訴經濟日報記者：“特別是其中的金屬液滴在軌追逐行為十分有趣生動，對於探索認識原子層級的電子自旋行為乃至宇宙尺度的行星運動問題均有一定啓示。”
萬物皆波，怎麼看
什麼是導航波？這是一個量子力學中的概念。
1924年，法國科學家德布羅意首次提出了“萬物皆波”的大膽猜想，認為與光一樣，一切物質均具有波粒二象性。波粒二象性是量子力學發展的基石。基於此，德布羅意提出了導航波理論來描述量子世界的運動情形。根據這一理論，量子粒子，比如電子，其運動由一個導航波場來引導。若干年後，物理學家們找到了與德布羅意導航波理論有着驚人相似之處的宏觀體系，即流體導航波體系。
在經典流體力學中，一個放置於豎直方向振動液麪上的液滴能夠持續在液麪上彈跳而不發生融合。進一步的，這類不融合液滴會受到自身撞擊液麪形成的局部波作用而產生導向性水平運動。這種液滴運動，與量子力學中導航波理論描繪的量子粒子運動情形有着驚人相似之處。
對此，我們可以回憶一下下雨天。那時，你是否看見過雨滴在水潭上激起轉瞬即逝的漣漪？擊打在水面上的液滴有一些並不會立即與水面融合，而是會在水面上滯留一段時間。
這種反常的不融合現象及其背後的豐富的動力學知識，一度讓物理學家們為之着迷。研究發現，不融合效應的產生，是由於液滴與液麪之間的碰撞會被另外一層介質（例如空氣）隔開所致。不融合現象的存在，也使得科學家們能夠用液體表面來“懸浮”液滴——實現懸浮的秘訣就在於，讓液麪與液滴都動起來。
論文第一作者湯劍波博士介紹，在研究中，普遍採用的是經典法拉第實驗手段，即讓一個液池在豎直方向上受控振動。這樣一來，置於液池表面上的液滴會隨着液麪振動，發生週期性彈跳，繼而阻止二者融合。在這樣的液滴—液池系統中，彈跳的液滴每次撞擊振動的液池時，均會在液池表面留下一個以液滴為中心，向外擴散的局部波場。液滴與其在液麪上產生的漣漪，恰好構成了一個宏觀波粒二象性體系。
在豎直方向跳動的液滴，通過與其局部導航波的相互作用，獲得水平方向的推力從而產生位移。這一液滴的自我助推狀態與運動模式被形象比擬為“行走”。行走的液滴，與量子力學中導航波理論描述的量子世界粒子，有着很多相似之處。
先前研究表明，這種流體導航波體系中的懸浮液滴能模擬量子領域的一系列神秘行為，例如隧穿、干涉等。對這種宏觀層面上波粒二象性的認識，使得流體導航波研究近年來引發科學界重視。
液滴CP，如何舞
為什麼如此重視？因為其他研究途徑都太困難了：除了量子體系之外，物理系統中普遍存在着波動伴隨的粒子運動，而這些行為通常要麼發生在極端尺度，要麼需要藉助特殊條件才能實現，這給直接觀測和控制帶來了巨大困難。而對於宏觀流體導航波體系來説，其驅動參數及系統結構均可靈活變換，易於實現。
此前，已有研究考查了常規流體導航波體系中單個或者多個液滴的動態行為，但均具有缺點：有的僅侷限於單液滴、單個導航波場，有的又讓系統結構過於複雜化了——因此，科學家們想尋找一種全新液滴運動模式。現在，中國科學家們做到了。
當流體導航波體系遇到被稱作“終結者”流體的液態金屬時，會發生什麼？這正是來自中國研究人員想要探究的問題。
與經典流體導航波系統中使用的常規流體，如硅油相比，室温液態金屬鎵銦合金具有獨特的流體特性，如極大的密度和表面張力，極低的黏性等。對此，研究團隊設計了一個液態金屬導航波系統，來研究其宏觀波粒二象性。
“流體性質差異的確帶來了不同的實驗結果。但是，起初觀察到的情景讓人有點失望——我們無法在液態金屬系統中重現液滴的‘行走’狀態。而此前研究表明，實現液滴的‘行走’是激發液滴水平運動和其他更復雜行為的先決條件。”這項工作的第一作者湯劍波博士説：“然而，在嘗試向液態金屬系統中加入第二滴液滴的那一刻，我們立即變得興奮起來。”
事實證明，雖然單個液態金屬液滴在水平方向上保持靜止，但當兩個大小不同的液滴在液池上相遇時，它們會自動耦合（自鎖）成一個液滴對，並隨即在液池中旋轉起來。
研究人員還發現，液態金屬體系中液滴的協同運動表現出一系列十分新奇的特徵：首先，這些液滴對總是精確沿着以液池的中心為圓心的同心圓環旋轉。其次，液滴對做旋轉運動具有方向性。液滴的協同運動既可以是兩者中的大液滴追逐着小液滴旋轉，也可以是小液滴追逐着大液滴旋轉。而追逐的方向取決於兩個液滴之間的自鎖模式。
如果兩個液滴彼此相鄰，液滴對則採取前一種旋轉模式；反之，如果液滴彼此遠離，液滴對則採取後一種旋轉模式，追逐方向發生反轉。更有趣的是，液態金屬液滴對的旋轉和追逐運動，具有不同軌道半徑和不同自鎖距離，且兩者均具有明確的量子化數值特性。
“看到這些活潑的金屬液滴在閃爍着金屬光澤的液池表面上追逐和繞轉，這既使我聯想到了微觀核外電子圍繞原子核的運動，又將其與廣袤無際的宇宙天體運行聯繫起來。”此項工作的共同作者博士生趙曦説。
幕後推手，應是誰
這些引人入勝的現象背後，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。
研究發現，在所有液態金屬液滴對中，小液滴在彈跳中總是先於與之耦合的大液滴“抵達”液麪。而正是由於這一豎直方向彈跳的不一致，引起了液滴水平方向的運動。
“之前的系統中從沒有觀察到這樣多樣化的液滴量子化、軌道化、定向性的液滴運動，我們相信這些液滴行為的出現是液態金屬的獨特流體特性所導致的。”指導該研究的劉靜教授説：“我們設計了一系列實驗來揭示其潛在原理和機制。”
該團隊分別對液態金屬液池和液滴的動力學行為開展了深入研究。他們發現，這種特殊的運動模式源於液滴與液池表面波之間的相互作用。
“但是，與之前僅存在單個導航波場的系統不同，我們當前的系統由於液態金屬自身存在的超常表面張力，會產生第二個全局導航波場。”劉靜解釋説：“此外，在我們的系統中，液滴是通過與其耦合的液滴局部導航波場相互作用獲得水平推力。”
研究人員還提出了一個針對複合導航波場的粒子—導航波關聯框架，從而很好解釋了所觀察到的實驗現象。他們認為，對於液態金屬導航波體系的探索，一方面豐富了流體力學不穩定性的研究範疇和知識，另一方面也極大擴展了流體動力學層面波粒二象性的含義。
“例如，我們發現液態金屬液滴對在雙導航波場中的在軌追逐運動，與光學系統中納米粒子對的運動模式具有驚人相似性。”湯劍波指出：“這意味着，我們很可能在更多物理體系中發現類似運動，或者用統一的理論去理解不同物理體系的運動。”
“我們也看到了一種可能性，即可以通過簡單振動一個液態金屬液池來模擬其他體系中的運動。我相信，液態金屬導航波體系中肯定還存在很多值得探索的科學問題。”劉靜教授補充道。
佘惠敏