[论文解读] 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 11

一句话总结

本研究展示了一种由数百万个旋转胶体磁珠组成的宏观二维手性流体，揭示了反常应力与霍尔黏度是驱动独特表面动力学的关键因素。该系统表现出单向边缘泵浦、自发表面波，以及在传统流体中无对应物的手性珍珠化不稳定性，实验验证了长期理论预测的手性流体动力学现象。

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.

研究动机与目标

• 通过旋转胶体磁珠构建宏观、凝聚的手性流体，以实验研究手性流体动力学。
• 探究反常应力与霍尔黏度在驱动传统流体中不存在的界面动力学中的作用。
• 测量并验证霍尔黏度的存在，这是一种长期寻求的、在手性流体中无耗散的输运特性。
• 证明手性流体动力学可导致独特不稳定性，如由边缘电流和相对相位动力学驱动的非对称珍珠化。
• 建立一个最小手性流体动力学模型，使其定量匹配实验观测结果。

提出的方法

• 在水中制备并悬浮约1.6 µm的赤铁矿胶体立方体，其具有永久磁矩，形成二维手性流体。
• 施加旋转磁场以诱导粒子集体旋转，形成具有宇称与时间反演对称性破缺的手性流体。
• 利用交叉偏振片的光学显微镜观察表面流动、液滴聚并、空洞塌陷及流过障碍物的流动。
• 对条带轮廓进行傅里叶分析，提取主导波模式，并测量不稳定性期间上下界面之间的相位关系。
• 基于实验测得的流体动力学系数（包括霍尔黏度与反常黏度）对手性流体薄条进行线性稳定性分析。
• 将理论稳定性图与实验数据对比，以验证手性流体动力学模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过旋转胶体磁珠在实验中实现宏观、凝聚的手性流体，以研究手性流体动力学？
• RQ2 反常应力在生成手性流体中自发单向边缘流动方面起什么作用？
• RQ3 此前仅存在于理论中的霍尔黏度如何在手性流体的表面波动力学中体现？
• RQ4 薄手性流体条带中手性珍珠化不稳定性的原因是什么？其相位关系与传统的瑞利-普朗特破裂有何不同？
• RQ5 能否通过一个最小手性流体动力学模型定量再现观测到的表面波与不稳定性动力学？

主要发现

• 该手性流体在静止状态下表现出自发的单向边缘电流，驱动无传统流体对应物的表面波。
• 表面动力学的谱分析揭示了霍尔黏度的存在，实验结果与理论预测高度一致。
• 薄流体条带经历由上下表面扰动之间相对相位偏移驱动的手性珍珠化不稳定性，且在多次实验中表现出一致的相位差。
• 该不稳定性并非源于表面张力或传统流体动力学，而是由手性表面动力学引起，线性稳定性分析与实验观测相符。
• 基于实验测得的流体动力学系数构建的稳定性图可预测不稳定的波长范围，其指数增长速率与观测到的破裂 timescale（如10分钟与1天等高线）一致。
• 该系统行为可被一个最小手性流体动力学模型良好描述，验证了手性流体中反常应力与霍尔黏度的理论框架。