芯片上的非线性波动动力学

《SCIENCE》：Nonlinear wave dynamics on a chip

本研究开发基于超流体氦薄膜的微尺度水波模拟平台，通过光机耦合作用实现孤立波分裂、激波前沿等非线性现象观测，测量速度较传统水槽提升六个数量级，为微尺度复杂流体动力学研究提供新方法。

　　

编辑总结

水波的非线性行为，如孤子波、畸形波和海啸，在大型水池设施中可以在一定程度上进行模拟，这些水池的槽道长度可达数百米。在更小的尺度上，Reeves等人提出了一种芯片级的研究方法，该方法利用被限制在光刻定义的硅表面上的超流氦薄膜来构建槽道。这种芯片级方法可以实现光刻定义的几何结构，对流体性质进行光机械控制，并且测量速度比传统槽道快六个数量级，从而能够研究在实验室环境中无法实现的奇异流体动力学现象。——Ian S. Osborne

摘要

浅水波是非线性流体动力学的典型例子，它们会引发海啸和波动等现象。这类现象通常在数百米长的水槽中进行研究。在这项研究中，我们展示了一种芯片级的水槽装置，该装置利用纳米厚度的超流氦薄膜和光机械相互作用实现了超越常规地面流动的非线性效应。实验结果观察到了波浪的陡化现象、冲击波前沿以及孤子波的分裂——这些都是在超流氦中预测存在但从未被直接观测到的非线性行为。我们的方法实现了通过光刻技术定义的水槽几何结构，对流体动力学性质的光机械控制，并且测量速度比地面水槽快多个数量级。这种结合量子流体和纳米光子学的技术为在微观尺度上探索复杂的波浪动力学现象提供了平台。