[論文レビュー] The free surface of a colloidal chiral fluid: waves and instabilities from odd stress and Hall viscosity

Vishal Soni, Ephraim Bililign+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2018

Characterization and Applications of Magnetic Nanoparticles参考文献 37被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、数百万個の回転するコロイド磁石からなるマクロな2次元キラル流体が実験的に実現され、特異な表面力学を特徴づける奇数応力とホール粘性係数が明らかになった。この系は一方向の縁駆動、自発的な表面波、および従来の流体に類似例のないキラルなピアリング不安定性を示し、長年にわたり理論的に予測されてきたキラル流体力学的現象が実験的に裏付けられた。

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.

研究の動機と目的

• 回転するコロイド磁石からマクロで一貫性のあるキラル流体を構築し、キラル流体力学を実験的に研究すること。
• 従来の流体に見られない界面力学を駆動する奇数応力およびホール粘性係数の役割を解明すること。
• 長年にわたり探求されてきた、キラル流体における散逸のない輸送特性であるホール粘性係数の存在を測定・検証すること。
• キラル流体力学が、縁電流および相対位相ダイナミクスによって駆動される非対称なピアリング不安定性を含む、特異な不安定性を引き起こすことを示すこと。
• 実験観察と定量的に一致する最小限のキラル流体力学モデルを確立すること。

提案手法

• 水中に永久磁気モーメントを有する約1.6 µmのヘマタイトコロイド立方体を調製・分散させ、2次元キラル流体を形成する。
• 回転磁場を印加して粒子の集団的回転を誘発し、パラティティおよび時間反転対称性が破れたキラル流体を生成する。
• 偏光子を用いた光学顕微鏡観察により、表面流れ、ドロップレットの融合、空洞の崩壊、障害物周辺の流れを画像化する。
• ストリップの輪郭をフーリエ解析して、不安定性下での上下面間の位相差を抽出し、主要な波モードを測定する。
• 実験的に抽出した流体力学的係数（ホール粘性係数、奇数粘性係数を含む）を用いて、薄いキラル流体ストリップの線形安定性解析を実施する。
• 理論的安定性図と実験データを比較し、キラル流体力学モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回転するコロイド磁石を用いて、キラル流体力学を実験的に研究可能なマクロで一貫性のあるキラル流体を実現できるか？
• RQ2 奇数応力は、キラル流体において自発的な一方向の縁流れを生成するにあたり、どのような役割を果たすか？
• RQ3 これまで理論的考察にとどまっていたホール粘性係数は、キラル流体の表面波ダイナミクスにおいてどのように現れるか？
• RQ4 薄いキラル流体ストリップに生じるキラルピアリング不安定性の原因は何か？ また、それらの位相差は、従来のレイリー＝プラウドー破壊とどのように異なるか？
• RQ5 最小限のキラル流体力学モデルは、観察された表面波および不安定性ダイナミクスを定量的に再現できるか？

主な発見

• キラル流体は、静止状態において自発的な一方向の縁電流を示し、従来の流体に類似例のない表面波を駆動する。
• 表面ダイナミクスのスペクトル解析により、ホール粘性係数の存在が判明し、理論的予測との整合性から実験的に確認された。
• 薄い流体ストリップは、上下面の摂動の間の相対位相差によって駆動されるキラルピアリング不安定性を示し、複数の実験で一貫した位相差が観測された。
• 不安定性は表面張力や従来の流体力学的要因に起因するのではなく、キラル表面ダイナミクスに起因し、線形安定性解析が実験観察と一致した。
• 実験的に測定した流体力学的係数に基づく安定性図により、不安定な波長範囲が予測され、観測された破壊時定数（例：10分および1日）と一致する指数的成長率が得られた。
• この系の挙動は、最小限のキラル流体力学モデルによってよく記述され、奇数応力およびホール粘性係数に関する理論的枠組みがキラル流体で正当化された。