一种罕见且难以探测的物理现象

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），编译：小雨，题图来自：《旺达幻视》

几十年来，理解不同的材料（尤其是有毒液体）在一些极端热力学状态（如高压或高温）下的物理性质，一直是项重大的挑战。一个典型例子就是对负压状态的探索。

在物理学中，负压是一种罕见且难以探测的现象，它与植物和人体细胞中的矿物质运输、材料工程中的一些过程有关，对我们理解微观世界的扩散过程有着巨大的影响。由于缺乏在负压下进行可重复测量的方法，直到现在，科学家仍然无法很好地将负压概念推广到除水之外的其他分子系统上。

现在，在一项新发表于《自然·物理学》上的研究中，一组研究人员发展了一种新的测量方法，利用充满液体的光纤和声波对负压进行了测量，并获得了关于极端热力学状态的重要见解。

探索负压  

压力或压强（单位面积受到的压力）是一个在众多领域都经常出现的物理量，比如气象学中的大气压，医学中的血压，以及在日常生活中的高压锅和真空密封的食品袋。根据力在闭合系统中的作用方向的不同，太高的压力在极端情况下会导致爆炸反应，而太低的压力会导致闭合系统本身发生内爆。无论是高压还是低压，在常规情况下，压力的值都是正的。

而液体则能表现出一种特殊的特性，它们能够以一种压力为负的亚稳态存在。在这种亚稳态下，即使是微小的外部影响，也能导致系统坍缩成别的状态。这就好比是位于最高点的过山车，轻轻触碰一侧都会让它沿着轨道飞驰而下。

负压对液体的影响呢？根据热力学定律预测，液体的体积会减小，但液体会通过附着力（比如将水滴粘在手指上的力），而被保留在玻璃光纤毛细管中。这样的结果就是液体会像橡皮筋一样被“拉伸”。可是，测量这种奇异的状态通常需要非常复杂的设备和极高的安全预防措施，尤其是当液体有毒时——比如研究人员在这项研究中所使用的二硫化碳（CS₂），就正是这种情况。

利用光波和声波  

过去，用于产生和测量负压的装置都需要大量的实验空间，甚至会对处于亚稳态的闭合系统造成干扰。在新发表的这项研究中，研究人员通过结合两种独特的技术，测量了各种热力学状态，包括液体的负压亚稳态。他们开发了一种微小的、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。

在这种新方法中，研究人员先将少量（纳升）的液体封装在一个完全闭合的、既允许高正压存在、也允许高负压存在的光纤中。这些光纤只有人的头发丝那么粗。接着，利用液体中光波和声波之间的特定相互作用，研究人员得以对液体在不同状态下的压力和温度影响展开灵敏测量。

其中，声波可以作为检测负压值的传感器，以非常高的精度和空间分辨率，探索了这种独特的物质状态。具体来说，声波可以非常灵敏地探测沿着光纤变化的温度、压力和应变，并且还可以沿着光纤的长度，提供厘米级分辨率的光纤内部的情况图像。

这种新的方法使研究人员能够更深入地了解这种独特的基于管线的闭合系统中的热力学的相关关系。他们的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，对负压状态的观测就会变得非常清晰。

新方法、新平台 

这表明，当新的测量方法与新的平台相结合时，一些难以用普通和既定方法来探索的现象会变得出乎意料地简单。通过将光声测量与紧密密封的毛细光纤相结合，研究人员得以在探索有毒液体中的化学反应方面获得新的发现。这种完全密封的液芯光纤的新平台提供了研究高压和其他热力学机制的通道。

研究人员表示，他们希望能在未来对这种光纤进行进一步的非线性光学现象研究，这些现象可以揭开此前尚未被探索的材料在独特的热力学状态下的新特性。这也是跨领域合作研究的一次成功，科学家们凭借各自的专业知识，在一个微小且易于操作的光学平台上获得了对热力学过程和机制的新见解。

参考来源：

https://mpl.mpg.de/news-events/news-from-the-institute-2?tx_news_pi1%5Baction%5D=detail&tx_news_pi1%5Bcontroller%5D=News&tx_news_pi1%5Bnews%5D=1161&cHash=3e2b51f216b68096d34696909030b060

https://www.nature.com/articles/s41567-023-02205-1

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），编译：小雨