Геометрия образца и анализ интегрального спектра Бриллюэна при комнатной температуре. 
а — вид художника на образец LiCOF с помощью лазера. 
b — Измеренный спектр (синий) и моделирование (красный) спектра SBS с диаметром ядра 1,125 мкм. 
c — Геометрия образца LiCOF, соединенного с обеих сторон волокном UHNA для соединения и герметизации. SMF используется для интегрируемости. Если капилляр полностью заполнен, объем (V) остается постоянным (изохорный режим), тогда как при наличии пузырька давление (P) остается постоянным (изобарический режим). 
d — Численное моделирование соответствующих продольных, радиально-симметричных акустических мод давления L₀₁, L₀₂ и L₀₃.
Группа благодарна : Лонг Хуй Дао.
Фото: Физика природы (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02205-1

Как физическая величина давление встречается в различных областях: атмосферное давление в метеорологии, кровяное давление в медицине или даже в повседневной жизни с скороварками и пищевыми продуктами в вакуумной упаковке. Давление определяется как сила на единицу площади, действующая перпендикулярно поверхности твердого тела, жидкости или газа. В зависимости от направления действия силы внутри закрытой системы, очень высокое давление может в крайних случаях привести к взрывным реакциям, тогда как очень низкое давление в закрытой системе может вызвать взрыв самой системы.

Избыточное давление всегда означает, что газ или жидкость прижимаются к стенкам контейнера изнутри, как воздушный шар, расширяющийся при добавлении большего количества воздуха. Независимо от того, высокое это или низкое давление, числовое значение давления при нормальных обстоятельствах всегда положительное.

Однако жидкости обладают своеобразной характеристикой. Они могут существовать в определенном метастабильном состоянии, соответствующем отрицательному значению давления. В этом метастабильном состоянии даже незначительное внешнее воздействие может привести к коллапсу системы в то или иное состояние. Его можно представить себе как сидящего на вершине американских горок: малейшее прикосновение с одной или другой стороны отправляет вас вниз по рельсам. В своих текущих исследованиях ученые изучают метастабильное состояние жидкостей с отрицательным давлением.

Чтобы добиться этого, исследовательская группа объединила два уникальных метода в исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, для измерения различных термодинамических состояний. Первоначально крошечные количества — нанолитры — жидкости были заключены в полностью закрытое оптическое волокно , что позволяло создавать как сильно положительное, так и отрицательное давление. Впоследствии специфическое взаимодействие оптических и акустических волн в жидкости позволило чувствительным образом измерить влияние давления и температуры в различных состояниях жидкости.

Звуковые волны действуют как датчики для изучения значений отрицательного давления, исследуя это уникальное состояние материи с высокой точностью и детальным пространственным разрешением.

Влияние отрицательного давления на жидкость можно представить следующим образом: согласно законам термодинамики объем жидкости будет уменьшаться, но жидкость удерживается в стекловолоконном капилляре силами сцепления, подобно тому, как капля воды прилипает к жидкости. палец. Это приводит к «растяжению» жидкости. Он разрывается и ведет себя как растянутая резиновая лента.

Для измерения этого экзотического состояния обычно требуется сложное оборудование с повышенными мерами безопасности. Высокое давление может быть опасным, особенно при работе с токсичными жидкостями. Сероуглерод, используемый исследователями в этом исследовании, попадает в эту категорию. Из-за этой сложности предыдущие измерительные установки для создания и определения отрицательного давления требовали значительного лабораторного пространства и даже нарушали работу системы в метастабильном состоянии.

Вместо этого с помощью представленного здесь метода исследователи разработали крошечную простую установку, с помощью которой они могут проводить очень точные измерения давления с помощью световых и звуковых волн . Используемое для этой цели волокно имеет толщину человеческого волоса.

«Некоторые явления, которые трудно исследовать обычными и устоявшимися методами, могут неожиданно стать доступными, когда новые методы измерения сочетаются с новыми платформами. Я нахожу это захватывающим», — говорит доктор Биргит Стиллер, руководитель исследовательской группы квантовой оптоакустики в MPL.

Звуковые волны, используемые группой, могут очень чувствительно обнаруживать изменения температуры, давления и деформации вдоль оптического волокна. Кроме того, возможны измерения с пространственным разрешением, а это означает, что звуковые волны могут предоставить изображение ситуации внутри оптического волокна с разрешением в сантиметровом масштабе по его длине.

«Наш метод позволяет нам глубже понять термодинамические зависимости в этой уникальной системе на основе волокон», — говорит Александра Попп, один из двух ведущих авторов статьи. Другой ведущий автор, Андреас Гейлен, добавляет: «Измерения выявили некоторые удивительные эффекты. Наблюдение режима отрицательного давления становится совершенно ясным, если посмотреть на частоту звуковых волн».

Сочетание оптоакустических измерений с плотно запечатанными капиллярными волокнами позволяет делать новые открытия в области мониторинга химических реакций в токсичных жидкостях в материалах и микрореакторах, которые иначе трудно исследовать. Он может проникнуть в новые, труднодоступные области термодинамики.

«Эта новая платформа из полностью герметичных волокон с жидкой сердцевиной обеспечивает доступ к высоким давлениям и другим термодинамическим режимам», — говорит профессор Маркус Шмидт из IPHT в Йене, а доктор Марио Хемниц из IPHT в Йене подчеркивает: «Это очень важно. интересно исследовать и даже адаптировать дальнейшие нелинейные оптические явления в этом типе волокна».

Эти явления могут раскрыть ранее неизведанные и потенциально новые свойства уникального термодинамического состояния материалов. Биргит Стиллер заключает: «Сотрудничество между нашими исследовательскими группами в Эрлангене и Йене с их соответствующим опытом является уникальным в получении нового понимания термодинамических процессов и режимов на крошечной и простой в использовании оптической платформе».