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图：用激光观察LiCOF样品艺术图。来源：Nature Physics（2023）。DOI:10.1038/s41567-023-02205-1
在物理学中，负压是一种罕见且难以探测的现象。位于马克斯普朗克光科学研究所(MPL)的研究人员现在发现了一种新的测量方法，利用充满液体的光纤和声波。在与 Leibniz光子技术研究所(IPHT)的合作下，由Birgit Stiller领导的量子光声学研究小组的科学家们可以获得对热力学状态的重要研究发现。
作为一个物理量，压力在许多领域都遇到:气象学中的大气压，医学中的血压，甚至在日常生活中使用压力锅和真空密封食品。压力被定义为单位面积上垂直于固体、液体或气体表面的力。根据力在封闭系统中作用的方向，在极端情况下，非常高的压力会导致爆炸反应，而在封闭系统中，非常低的压力会导致系统本身的内爆。
超压总是意味着气体或液体从内部推动容器的壁，就像气球在加入更多空气时膨胀一样。无论高压还是低压，在正常情况下，压力的数值总是正的。
然而，液体表现出一种特殊的特性。它们可以以与负压值相对应的特定亚稳态存在。在这种亚稳态中，即使是微小的外部影响也会导致系统崩溃成一种或另一种状态。你可以把它想象成坐在过山车的顶端:轻轻触碰一侧或另一侧，你就会沿着轨道飞驰而下。在他们目前的研究中，科学家们正在研究负压液体的亚稳态。
为了实现这一目标，研究小组在Nature Physics上发表的一项研究中结合了两种独特的技术来测量各种热力学状态。最初，少量的液体(纳米级)被封装在一个完全封闭的光纤中，允许高正负压。随后，液体中光波和声波的特定相互作用使得可以对对液体不同状态下压力和温度影响进行灵敏测量。
声波作为检测负压值的传感器，以高精度和详细的空间分辨率探索物质的这种独特状态。
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，但液体通过粘合力被保留在玻璃纤维毛细管中，就像水滴粘在手指上一样。这导致了液体的“拉伸”。它被拉开，就像橡皮筋被拉伸一样。
测量这种奇异的状态通常需要复杂的设备和高度的安全预防措施。高压可能是危险的，尤其是有毒液体。研究人员在这项研究中使用的二硫化碳就属于这一类。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，甚至对处于亚稳态的系统造成干扰。
研究人员利用本文提出的方法，开发了一种微小、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。用于此目的的纤维只有人的头发那么粗。
“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探索的现象会变得出乎意料地容易。我发现这令人兴奋，”MPL量子光声学研究小组负责人Birgit Stiller博士说。
该小组使用的声波可以非常敏感地探测到沿着光纤的温度、压力和应变变化。此外，空间分辨测量是可能的，这意味着声波可以沿其长度提供厘米级分辨率的光纤内部情况图像。
这篇文章的两位主要作者之一 Alexandra Popp:“我们的方法使我们能够更深入地了解这种独特的基于纤维的系统中的热力学依赖关系。”另一位主要作者Andreas Geilen补充说:“测量结果揭示了一些令人惊讶的影响。当观察声波的频率时，对负压状态的观察变得非常清楚。”
光声测量与紧密密封的毛细管纤维相结合，使得在有毒液体中的化学反应监测方面有了新的发现。它可以渗透到新的，难以进入的热力学领域。
来自Markus Schmidt教授和Mario Chemnitz博士强调:“这种完全密封的液芯光纤的新平台提供了高压和其他热力学机制的通道。研究甚至定制这种类型光纤中的进一步非线性光学现象是非常有趣的。”
这些现象可以解开以前未被探索的、潜在的材料独特热力学状态下的新特性。Birgit Stiller总结道:“我们在合作过程中，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制度的新见解，这是独一无二的。”
- Geilen, A. et al, Extreme thermodynamics in nanolitre volumes through stimulated Brillouin–Mandelstam scattering, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02205-1. www.nature.com/articles/s41567-023-02205-1
