光波和声波显示负压
发布时间：2023-09-26 09:45:32 阅读数： 131
a, 带有激光的 LiCOF 样品的艺术家视图。 b, 1.125 μm 芯直径的 SBS 光谱的测量值（蓝色）和模拟值（红色）。c, 两侧接有 UHNA 光纤用于耦合和密封的 LiCOF 样品的几何形状。使用 SMF 是为了实现可集成性。d, 相应的纵向、径向对称压力声学模式 L01、L02 和 L03 的数值模拟。图片 a 的作者：Long Huy Dao。图片来源：Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02205-1
负压是物理学中一种罕见且难以检测的现象。现在，位于埃尔兰根的马克斯-普朗克光科学研究所（MPL）的研究人员利用充满液体的光纤和声波，发现了一种测量负压的新方法。在与耶拿莱布尼兹光子技术研究所（IPHT）的合作中，由比尔吉特-斯蒂勒（Birgit Stiller）领导的量子光声学研究小组的科学家们可以深入了解热力学状态。
作为一个物理量，压力存在于各个领域：气象学中的大气压、医学中的血压，甚至日常生活中的高压锅和真空密封食品。压力的定义是单位面积上垂直于固体、液体或气体表面的作用力。根据力在封闭系统中的作用方向，在极端情况下，极高的压力可能导致爆炸反应，而封闭系统中极低的压力可能导致系统本身内爆。
超压总是指气体或液体从内部挤压容器壁，就像加入更多空气后气球膨胀一样。不管是高压还是低压，在正常情况下，压力的数值总是正的。
然而，液体有一个特殊的特性。它们可以存在于一种与负压值相对应的特定可变状态。在这种可变状态下，即使是微小的外部影响也会导致系统坍缩到一种或另一种状态。我们可以把它想象成坐在过山车的顶端：稍稍触碰一侧或另一侧，就会让你从轨道上急速坠落。在目前的研究中，科学家们正在研究液体在负压作用下的蜕变状态。
为此，研究小组在发表于《自然-物理》（Nature Physics）的一项研究中结合了两种独特的技术，测量各种热力学状态。首先，将极少量（纳升）的液体封装在完全封闭的光纤中，使其同时具有高度正压和负压。随后，通过光波和声波在液体中的特殊相互作用，可以灵敏地测量液体不同状态下压力和温度的影响。
声波充当了检测负压值的传感器，以高精度和详细的空间分辨率探索这种独特的物质状态。
负压对液体的影响可以设想如下： 根据热力学定律，液体的体积会减小，但液体在玻璃纤维毛细管中会受到粘附力的作用，就像水滴粘在手指上一样。这就导致了液体的 "拉伸"。液体被拉开，就像橡皮筋被拉伸一样。
测量这种奇特的状态通常需要复杂的设备和更高的安全防范措施。高压是一项危险的工作，尤其是有毒液体。本研究中研究人员使用的二硫化碳就属于此类液体。由于这种复杂性，以前用于产生和确定负压的测量装置需要大量的实验室空间，甚至会对处于稳定状态的系统造成干扰。
通过本文介绍的方法，研究人员开发出了一种微小、简单的装置，可以利用光波和声波进行非常精确的压力测量。用于这一目的的光纤只有头发丝那么粗。
"当新的测量方法与新颖的平台相结合时，一些难以用普通和既定方法探索的现象就会变得出乎意料地容易获得。我觉得这很令人兴奋，"MPL 量子光声研究小组负责人 Birgit Stiller 博士说。
该研究小组使用的声波可以非常灵敏地探测光纤沿线的温度、压力和应变变化。此外，还可以进行空间分辨测量，这意味着声波可以沿光纤长度以厘米级的分辨率提供光纤内部情况的图像。
"文章的两位主要作者之一亚历山德拉-波普（Alexandra Popp）说："我们的方法使我们能够更深入地了解这种独特的光纤系统的热力学依赖关系。另一位主要作者安德烈亚斯-盖伦（Andreas Geilen）补充说："测量结果显示了一些令人惊讶的效应。当观察声波的频率时，负压机制的观察结果就会变得非常清晰。
将光声学测量与紧密密封的毛细管纤维相结合，可以在监测其他难以研究的材料和微反应器中有毒液体的化学反应方面获得新发现。它可以渗透到新的、难以进入的热力学领域。
"耶拿 IPHT 的 Markus Schmidt 教授和同样来自耶拿 IPHT 的 Mario Chemnitz 博士强调说："这种全密封液芯纤维新平台可以进入高压和其他热力学环境： "同样来自耶拿 IPHT 的 Mario Chemnitz 博士强调说："研究甚至进一步定制这种光纤中的非线性光学现象是非常有意义的。
这些现象可以在材料独特的热力学状态下释放出以前未曾探索过的潜在新特性。比尔吉特-斯蒂勒总结道："我们在埃尔兰根和耶拿的研究小组利用各自的专业知识开展合作，在一个微小且易于操作的光学平台上获得对热力学过程和状态的新认识，这是独一无二的。
参考资料
Geilen, A. 等人，《通过受激布里渊-曼德尔施塔姆散射实现纳升体积的极端热力学》，《自然-物理学》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41567-023-02205-1. www.nature.com/articles/s41567-023-02205-1
