[논문 리뷰] The free surface of a colloidal chiral fluid: waves and instabilities from odd stress and Hall viscosity

Vishal Soni, Ephraim Bililign외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 24.

Characterization and Applications of Magnetic Nanoparticles참고 문헌 37인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 수백만 개의 회전하는 콜로이드 자성체로 구성된 매크로스코픽이고 2차원적인 편광 유체를 실험적으로 구현하여, 고유한 표면 역학을 이끄는 핵심 요소로 이상 스트레스와 홀 점성도를 규명하였다. 이 시스템은 단방향 가장자리 펌프 작용, 자발적인 표면파, 그리고 전통적인 유체와는 대응이 없는 편광 불안정성 현상을 나타내며, 오랫동안 이론적으로 예측되어 온 편광 유체역학 현상의 실험적 확인을 이룩하였다.

ABSTRACT

In simple fluids, such as water, invariance under parity and time-reversal symmetry imposes that the rotation of constituent 'atoms' are determined by the flow and that viscous stresses damp motion. Activation of the rotational degrees of freedom of a fluid by spinning its atomic building blocks breaks these constraints and has thus been the subject of fundamental theoretical interest across classical and quantum fluids. However, the creation of a model liquid which isolates chiral hydrodynamic phenomena has remained experimentally elusive. Here we report the creation of a cohesive two-dimensional chiral liquid consisting of millions of spinning colloidal magnets and study its flows. We find that dissipative viscous edge pumping is a key and general mechanism of chiral hydrodynamics, driving uni-directional surface waves and instabilities, with no counterpart in conventional fluids. Spectral measurements of the chiral surface dynamics reveal the presence of Hall viscosity, an experimentally long sought property of chiral fluids. Precise measurements and comparison with theory demonstrate excellent agreement with a minimal but complete chiral hydrodynamic model, paving the way for the exploration of chiral hydrodynamics in experiment.

연구 동기 및 목표

• 회전하는 콜로이드 자성체로부터 매크로스코픽이고 응집된 편광 유체를 제작하여 편광 유체역학을 실험적으로 연구하는 것.
• 기존의 유체에는 존재하지 않는 표면계의 역학을 이끄는 이상 스트레스와 홀 점성도의 역할을 탐구하는 것.
• 오랫동안 추구되어 온 비소산성 운반 성질인 홀 점성도의 존재를 측정하고 검증하는 것.
• 편광 유체역학이 비대칭 편광 불안정성과 같은 고유한 불안정성 현상을 어떻게 이끌어내는지, 특히 가장자리 전류와 상대 위상 역학에 의해 유도되는지를 보여주는 것.
• 실험 관측 결과와 정량적으로 일치하는 최소한의 편광 유체역학 모델을 수립하는 것.

제안 방법

• 수성에 영구 자화 모멘트를 지닌 약 1.6 µm 크기의 헤마티트 콜로이드 큐브를 제작하고 분산시켜 2차원 편광 유체를 형성하는 것.
• 입자들이 집단적으로 회전하도록 하는 회전하는 자기장을 적용하여, 페어리티와 시간역전 대칭성이 깨진 편광 유체를 만드는 것.
• 교차 투과 편광판을 통한 광학 현미경 영상 촬영을 통해 표면 유동, 물방울 융합, 빈도 붕괴, 장애물 주변의 흐름을 관찰하는 것.
• 불안정성 기간 동안 상단과 하단 표면의 진동 모드 간 위상 관계를 추출하기 위해 스트립 윤곽의 푸리에 분석을 수행하는 것.
• 실험적으로 추출한 유체역학 계수(홀 점성도 및 이상 점성도 포함)를 사용하여 얇은 편광 유체 스트립의 선형 안정성 분석을 수행하는 것.
• 이론적 안정성도와 실험 데이터를 비교하여 편광 유체역학 모델의 타당성을 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회전하는 콜로이드 자성체를 이용해 매크로스코픽이고 응집된 편광 유체를 실험적으로 실현할 수 있는가? 이를 통해 편광 유체역학을 연구할 수 있는가?
• RQ2 이상 스트레스는 편광 유체에서 자발적인 단방향 가장자리 유동을 어떻게 생성하는가?
• RQ3 이전까지 이론적 개념이었던 홀 점성도는 편광 유체의 표면파 역학에서 어떻게 나타나는가?
• RQ4 얇은 편광 유체 스트립에서 편광 불안정성이 발생하는 원인은 무엇이며, 기존의 레일리-플라우드 분열과는 위상 관계에서 어떻게 다를까?
• RQ5 최소한의 편광 유체역학 모델이 관측된 표면파 및 불안정성 역학을 정량적으로 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 편광 유체는 정지 상태에서도 자발적인 단방향 가장자리 전류를 나타내며, 기존의 유체에서는 관찰되지 않는 표면파를 이끌어낸다.
• 표면 역학의 스펙트럼 분석을 통해 홀 점성도의 존재를 확인하였으며, 이는 이론적 예측과의 일치를 통해 실험적으로 확인되었다.
• 얇은 유체 스트립은 상단과 하단 표면의 진동 페러티가 서로 위상 오프셋을 가지며 유도하는 편광 불안정성에 의해 붕괴되며, 다수의 실험에서 일관된 위상 차이를 보였다.
• 이 불안정성은 표면 장력이나 전통적인 유체역학에 기인한 것이 아니라, 편광 표면 역학에 기인하며, 선형 안정성 분석 결과는 실험 관측과 일치한다.
• 실험적으로 측정한 유체역학 계수를 바탕으로 한 안정성도는 불안정한 파장 범위를 예측하며, 관측된 붕괴 시간스케일(예: 10분 및 1일 등수)과 일치하는 지수적 성장률을 보였다.
• 이 시스템의 거동는 최소한의 편광 유체역학 모델로 잘 기술되며, 이상 스트레스와 홀 점성도에 대한 이론적 프레임워크가 편광 유체에서 타당함을 검증한다.