幾十年來，理解不同的材料（尤其是有毒液體）在一些極端熱力學狀態（如高壓或高溫）下的物理性質，一直是項重大的挑戰。一個典型例子就是對負壓狀態的探索。
在物理學中，負壓是一種罕見且難以探測的現象，它與植物和人體細胞中的礦物質運輸、材料工程中的一些過程有關，對我們理解微觀世界的擴散過程有著巨大的影響。由於缺乏在負壓下進行可重複測量的方法，直到現在，科學家仍然無法很好地將負壓概念推廣到除水之外的其他分子系統上。
現在，在一項新發表於《自然·物理學》上的研究中，一組研究人員發展了一種新的測量方法，利用充滿液體的光纖和聲波對負壓進行了測量，並獲得了關於極端熱力學狀態的重要見解。
探索負壓
壓力或壓強（單位面積受到的壓力）是一個在眾多領域都經常出現的物理量，比如氣象學中的大氣壓，醫學中的血壓，以及在日常生活中的高壓鍋和真空密封的食品袋。根據力在閉合系統中的作用方向的不同，太高的壓力在極端情況下會導致爆炸反應，而太低的壓力會導致閉合系統本身發生內爆。無論是高壓還是低壓，在常規情況下，壓力的值都是正的。
而液體則能表現出一種特殊的特性，它們能夠以一種壓力為負的亞穩態存在。在這種亞穩態下，即使是微小的外部影響，也能導致系統坍縮成別的狀態。這就好比是位於最高點的過山車，輕輕觸碰一側都會讓它沿著軌道飛馳而下。
負壓對液體的影響呢？根據熱力學定律預測，液體的體積會減小，但液體會通過附著力（比如將水滴粘在手指上的力），而被保留在玻璃光纖毛細管中。這樣的結果就是液體會像橡皮筋一樣被「拉伸」。可是，測量這種奇異的狀態通常需要非常複雜的設備和極高的安全預防措施，尤其是當液體有毒時——比如研究人員在這項研究中所使用的二硫化碳（CS₂），就正是這種情況。
利用光波和聲波
過去，用於產生和測量負壓的裝置都需要大量的實驗空間，甚至會對處於亞穩態的閉合系統造成干擾。在新發表的這項研究中，研究人員通過結合兩種獨特的技術，測量了各種熱力學狀態，包括液體的負壓亞穩態。他們開發了一種微小的、簡單的裝置，可以利用光波和聲波進行非常精確的壓力測量。
在這種新方法中，研究人員先將少量（納升）的液體封裝在一個完全閉合的、既允許高正壓存在、也允許高負壓存在的光纖中。這些光纖只有人的頭髮絲那麼粗。接著，利用液體中光波和聲波之間的特定相互作用，研究人員得以對液體在不同狀態下的壓力和溫度影響展開靈敏測量。
其中，聲波可以作為檢測負壓值的傳感器，以非常高的精度和空間解析度，探索了這種獨特的物質狀態。具體來說，聲波可以非常靈敏地探測沿著光纖變化的溫度、壓力和應變，並且還可以沿著光纖的長度，提供釐米級解析度的光纖內部的情況圖像。
這種新的方法使研究人員能夠更深入地了解這種獨特的基於管線的閉合系統中的熱力學的相關關係。他們的測量結果顯示了一些令人驚訝的效應。當觀察聲波的頻率時，對負壓狀態的觀測就會變得非常清晰。
新方法、新平臺
這表明，當新的測量方法與新的平臺相結合時，一些難以用普通和既定方法來探索的現象會變得出乎意料地簡單。通過將光聲測量與緊密密封的毛細光纖相結合，研究人員得以在探索有毒液體中的化學反應方面獲得新的發現。這種完全密封的液芯光纖的新平臺提供了研究高壓和其他熱力學機制的通道。
研究人員表示，他們希望能在未來對這種光纖進行進一步的非線性光學現象研究，這些現象可以揭開此前尚未被探索的材料在獨特的熱力學狀態下的新特性。這也是跨領域合作研究的一次成功，科學家們憑藉各自的專業知識，在一個微小且易於操作的光學平臺上獲得了對熱力學過程和機制的新見解。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
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
#圖片來源：
封面圖&首圖：Long Huy Dao via MPL News