FALLSTUDIE
Eine quantenphysikalische Sicht auf Zeitkristalle: OAV-Luftlager zur Stabilisierung der Elektrodynamik Shakers Resonanzen für Experimente zur Nichtgleichgewichtsphysik von Tröpfchen
Eine quantenphysikalische Ansicht von Zeitkristallen: OAV-Luftlager zur Stabilisierung des Elektrodynamisch Shakers Resonanzen für Experimente zur Nichtgleichgewichtsphysik von Tröpfchen
Das Optical Sciences Centre an der Swinburne University of Technology in Melbourne, Australien, wollte das Verhalten von Flüssigkeitströpfchen besser verstehen, die auf der Oberfläche abprallenGesicht eines Flüssigkeitsbades durch eine quantenphysikalische Linse. Wenn Tröpfchen unterliegen bei regelmäßigem Antrieb können sie beginnen, auf der Oberfläche der Flüssigkeit zu „laufen“, arBei jedem Aufprall des Tropfens auf die Flüssigkeitsoberfläche wird eine Kapillarwelle ausgelöst,und ThDie nachfolgenden Gradienten in der Flüssigkeitsoberfläche treiben die planare Bewegung der Tröpfchen an. Das Team charakterisierte diese Tröpfchen als „Droplet Time Crystals“ (DTC), bei denen es sich um periodisch angetriebene Systeme handelt, die eine anhaltende Schwingungsantwort mit einem ganzzahligen Vielfachen der Antriebsperiode aufweisen. Zu den Hauptkomponenten des Experiments gehörenD der elektrodynamische Shaker, das OAV-Luftlager [OAVBX5050], das Flüssigkeitsbad, der Tröpfchendrucker und das optische Abbildungssystem, mit dem die Informationen aus den Experimenten beobachtet und verarbeitet werden.
Unter Verwendung eines maßgefertigten optischen Tisches, der auf Beinen zur passiven Schwingungsisolierung ruhte, um externe Geräusche zu eliminieren, wurde die Antriebskraft von einem elektrodynamischen Rüttler bereitgestellt, der auf eine Schichtkuchenstruktur geschraubt war, die auf Maschinenhalterungen ruhte. Der Schüttler war über eine Antriebsstange mit dem OAV-Luftlager verbunden, und das Luftlager wurde auf einer Aluminiumplatte oben auf dem optischen Tisch montiert und an eine hochreine Druckluftversorgung angeschlossen. Das Fluidbad wurde nivelliert und die Luftlageranordnung wurde festgeklemmt, bevor die Luftlagergleitstange mit der Antriebsstange verbunden wurde. Die Konstruktionsanordnung ist in der folgenden Grafik zu sehen.
Das OAV Air Bearing war eine entscheidende Komponente bei der Montage. Tatsächlich wurde der OAVBX5050 verwendet, um die Querschwingungen durch Stabilisierung des gesamten Systems aufgrund seiner sanften und ultrapräzisen reibungsfreien Bewegung zu reduzieren. Eine reibungsfreie Bewegung in axialer Richtung verhinderte eine nachteilige Bewegung in der Querebene. Das Team wählte ein Luftlager mit einer ausreichend großen Oberfläche, um die Gesamtnutzlast auf einem Minimum zu halten und die Shaker-Resonanzen zu reduzieren.
Das Fluidbad hatte einen Fluid enthaltenden Durchmesser von 100 mm mit einer Gesamtmasse von 570 g. Es war auf einer luftgelagerten Gleitstange montiert und wurde durch Neigen des gesamten optischen Tisches mit einer zweiachsigen digitalen Wasserwaage präzise ausgerichtet. Vibrationen des Bades wurden unter Verwendung von zwei piezoelektrischen einachsigen Beschleunigungsmessern gemessen. Tröpfchen wurden unter Verwendung eines Tröpfchendruckers, der aus einer computergesteuerten zweiachsigen linearen Translationsstufe und einem piezoelektrischen Tröpfchengenerator bestand, auf die Flüssigkeitsbadoberfläche eingebracht. Der Tröpfchengenerator verwendete eine piezoelektrische Summerscheibe mit 35 mm Durchmesser und eine Messingdüse mit M6-Gewinde und einer Düsengröße von 0,1–1,0 mm. Die Flüssigkeit wurde durch eine peristaltische Pumpe in den Generator gepumpt, und der Flüssigkeitspegel wurde unter Verwendung einer Mikrometer-Translationsstufe eingestellt. Die Bewegung der Tröpfchen wurde über eine Draufsichtkamera und eine Seitenkamera verfolgt.
Im Experiment wurden mehrere Subsysteme verwendet, um die Datenerfassung und -messung zu steuern. Ein Computer wurde verwendet, um das Treibersignal für den Shaker zu erzeugen und die Daten des Beschleunigungsmessers zu lesen, beides mit einer Abtastrate von 32 kHz. Die Signale wurden unter Verwendung eines digitalen Speicheroszilloskops überwacht, und eine Software-Rückkopplungsschleife hielt eine feste Antriebsamplitude aufrecht. Ein Tröpfchendrucker wurde verwendet, um Tröpfchen auf die Flüssigkeitsoberfläche aufzubringen, und zwei Mikrocontroller wurden verwendet, um Temperatursonden und den Tröpfchendrucker zu überwachen. Die Kameras wurden manuell ausgelöst und die Bilder manuell verarbeitet. Alle Subsysteme wurden jedoch von einer einzigen Workstation integriert und gesteuert. Basismessungen wurden durchgeführt, um die mechanischen Resonanzeigenschaften des Shakers zu charakterisieren und seine Abhängigkeit von der Nutzlast zu untersuchen. Die Shaker-Resonanzen entsprachen den Erwartungen und stimmten gut mit früheren Studien überein.
Das Labor verfügte über eine Klimaanlage, um eine Temperaturstabilität von 0,5 °C aufrechtzuerhalten, die von zwei PT100-Platin-RTD-Sonden und einem Mikrocontroller überwacht wurde. Die Kalibrierung erfolgte relativ zueinander bei 21 °C Umgebungstemperatur. Die für die Experimente verwendete Flüssigkeit war Silikonöl mit einer Dichte von 950 kg/m3 und einer Viskosität von 20 cSt bei 25 °C. Die thermische Charakterisierung zeigte, dass die Temperatur des Fluids und der Luft innerhalb der Spezifikationen des Klimaanlagensystems blieb. Das Hochgeschwindigkeits-Bildgebungslicht (135-W-LED) könnte jedoch turbulente Luftströmungen erzeugen und die Tropfendynamik beeinflussen, daher sollte es nur bei Bedarf eingeschaltet werden. Diese nachteiligen Wirkungen können eliminiert werden, indem das Flüssigkeitsbad durch Einhausungen geschützt wird. Eine kontinuierliche Messung der Flüssigkeitstemperatur ist nicht erforderlich, es sei denn, es ist extreme Präzision erforderlich.
Wenn das Flüssigkeitsbad über einer bestimmten frequenzabhängigen Amplitude, der so genannten Faraday-Schwelle, vibrierte, entstanden Faraday-Wellen auf der Flüssigkeitsoberfläche. Die Autoren beobachteten Faraday-Muster mit quadratischen und dreieckigen Elementarzellen, die sich mit einer niedrigeren Frequenz als der Antriebsfrequenz des Flüssigkeitsbades wiederholten. Die Autoren brachten auch Tröpfchen auf die Flüssigkeitsoberfläche und beobachteten, dass sie stabil in einem (2,1)-Modus abprallten, bei dem ihr Massenschwerpunkt vertikale periodische Schwingungen mit der halben Antriebsfrequenz des Flüssigkeitsbads erfährt. Die Tröpfchen unterstützten auch interne Schwingungsmoden im freien Raum. Die Autoren legten die Ansteuerfrequenz und -amplitude fest und untersuchten die Auswirkung der Variation der Tröpfchengröße auf die Aufpralldynamik des Tröpfchens.
Der Tröpfchendrucker-Generator erzeugte willkürliche zweidimensionale Tröpfchenmuster auf einem Bad. Die resultierenden Strukturen wurden durch Tröpfchen-Tröpfchen-Wechselwirkungen bestimmt. Ein Beispiel hierfür ist ein quadratisches Tröpfchengitter, das nach 5 Minuten eine Umwandlung in ein Dreiecksgitter erfährt. Dies ist ein nicht triviales Phänomen, da das System weit von der Faraday-Schwelle entfernt ist und die Bevorzugung eines Dreiecksgitters gegenüber einem Quadratgitter nicht allein durch Energieerhaltung oder einen höheren Packungsanteil erklärt werden kann. Das beobachtete Verhalten ist auf ein komplexes, selbstkonsistentes Zusammenspiel zwischen wellenvermittelten Vielteilchen-Wechselwirkungen zwischen den Tröpfchen und subtilen Grenzeffekten zurückzuführen.
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TP Simula 2023 PhyS. Scr.TröpfchenZeitkristalle
Dieses Material basiert auf Arbeiten, die vom Optical Sciences Centre an der Swinburne University of Technology in Melbourne, Australien, unterstützt wurden.