örnek çalışma
Zaman Kristallerinin Kuantum Fiziksel Görünümü: OAV Hava Yatağıelektrodinamik Shaker'ın Damlacıkların Denge Dışı Fiziği Üzerine Deneyler İçin Rezonansları
Avustralya'nın Melbourne kentindeki Swinburne Teknoloji Üniversitesi'ndeki Optik Bilimler Merkezi, yüzeyde sıçrayan sıvı damlacıklarının davranışını daha iyi anlamayı amaçladı.sıvı banyosunun yüzü bir kuantum fiziksel merceğinden. Damlacıklar söz konusu olduğunda to periyodik zorlama, sıvının yüzeyinde "yürümeye" başlayabilirler, ardamlacığın sıvı yüzeyi ile her çarpışmasının bir kılcal dalgayı tetiklemesinin sonucu,ve inciDamlacıkların düzlemsel hareketini sağlayan sıvı yüzeyindeki müteakip gradyanlar. Ekip, bu damlacıkları, sürüş periyodunun bir tamsayı katı ile kalıcı bir salınım tepkisi sergileyen periyodik olarak sürülen sistemler olan "damlacık zaman kristalleri" (DTC) olarak nitelendirdi. Deneyin ana bileşenleri şunları içerir:D the elektrodinamik çalkalayıcı, OAV Hava Yatağı [OAVBX5050], sıvı banyosu, damlacık yazıcı ve deneylerden elde edilen bilgileri gözlemlemek ve işlemek için kullanılan optik görüntüleme sistemi.
Dış gürültünün ortadan kaldırılması için pasif titreşim izolasyon ayaklarına dayanan özel bir optik masa kullanılarak, itici güç, makine yuvalarına dayanan bir katmanlı kek yapısına cıvatalanmış bir elektrodinamik çalkalayıcı tarafından sağlandı. Çalkalayıcı, bir tahrik çubuğu aracılığıyla OAV Hava Yatağına bağlandı ve hava yatağı, yüksek saflıkta bir basınçlı hava kaynağına bağlı olarak optik masanın üstündeki bir alüminyum plaka üzerine monte edildi. Akışkan banyosu dengelendi ve hava yatağı kaydırma çubuğu tahrik çubuğuna bağlanmadan önce hava yatağı tertibatı yerine kenetlendi. Tasarım montajı aşağıdaki grafikte görülebilir.
The Optical Sciences Centre at the Swinburne University of Technology in Melbourne, Australia aimed to better understand the behavior of liquid droplets bouncing on the surface of a fluid bath through a quantum physical lens. When droplets are subject to periodic forcing, they may begin to "walk" on the surface of the fluid, a result of each impact of the droplet with the fluid surface triggering a capillary wave, and the subsequent gradients in the fluid surface driving the planar motion of the droplets. The team characterized these droplets as "droplet time crystals" (DTC), which are periodically driven systems that exhibit a persistent oscillatory response with an integer multiple of the driving period. The main components of the experiment included the electrodynamic shaker, the OAV Air Bearing [OAVBX5050], the fluid bath, the droplet printer, and the optical imaging system used to observe and process the information from the experiments.
Using a custom optical table that rested on passive vibration isolation legs for elimination of external noise, the driving force was provided by an electrodynamic shaker bolted onto a layer cake structure, which rested on machine mounts. The shaker was connected to the OAV Air Bearing through a drive rod, and the air bearing was mounted on an aluminum plate on top of the optical table, connected to a high-purity compressed air supply. The fluid bath was leveled, and the air bearing assembly was clamped in place before the air bearing slider bar was connected to the drive rod. The design assembly can be seen in the below graphic.
The OAV Air Bearing was a crucial component in the assembly. Indeed, the OAVBX5050 was used to reduce the transverse vibrations through stabilization of the entire system due its smooth and ultra-precise frictionless motion. Frictionless motion in the axial direction prevented adverse motion in the transverse plane. The team chose an air bearing with a large enough surface area to maintain the total payload to a minimum, reducing the shaker resonances.
The fluid bath had a fluid containing diameter of 100 mm, with mass totaling to 570 g. It was mounted on an air bearing slider bar and was precisely aligned by tilting the whole optical table using a two-axis digital level. Vibrations of the bath were measured using two piezoelectric single-axis accelerometers. Droplets were introduced onto the fluid bath surface using a droplet printer consisting of a computer-controlled two-axis linear translation stage and a piezoelectric droplet generator. The droplet generator utilized a 35 mm diameter piezoelectric buzzer disk and M6 threaded brass nozzle with 0.1-1.0 mm nozzle size. The fluid was pumped into the generator by a peristaltic pump, and the fluid level was set using a micrometer translation stage. The droplets' motion was tracked via a top view camera and a side view camera.
In the experiment, multiple subsystems were used to control the data acquisition and measurement. A computer was used to generate the driving signal for the shaker and read the accelerometer data, both at a 32 kHz sampling rate. The signals were monitored using a digital storage oscilloscope and a software feedback loop maintained a fixed driving amplitude. A droplet printer was used to deposit droplets onto the fluid surface and two microcontrollers were used to monitor temperature probes and the droplet printer. The cameras were triggered manually and the images were processed manually. However, all subsystems were integrated and controlled by a single workstation. Baseline measurements were performed to characterize the mechanical resonance properties of the shaker and study its dependence on payload. The shaker resonances were found to conform to the expectations and were in good agreement with previous studies.
The laboratory had air conditioning system to maintain 0.5 °C temperature stability, monitored by two PT100 platinum RTD probes and a microcontroller. Calibration was done relative to each other at 21 °C ambient temperature. The fluid used for the experiments was silicone oil with density of 950 kg/m3 and viscosity of 20 cSt at 25 °C. The thermal characterization depicted that the temperature of the fluid and the air remained within the air conditioning system specifications. However, the high-speed imaging light (135 W LED) could generate turbulent air currents and affect the droplet dynamics, so it should only be turned on when necessary. These adverse effects can be eliminated by protecting the fluid bath with enclosures. Continuous measurement of fluid temperature is not necessary unless extreme precision is required.
When the fluid bath vibrated above a certain frequency-dependent amplitude, called the Faraday threshold, Faraday waves emerged on the fluid surface. The authors observed Faraday patterns with square and triangular unit cells that repeated at a lower frequency than the driving frequency of the fluid bath. The authors also introduced droplets onto the fluid surface and observed that they stably bounced in a (2,1) mode, where their center of mass undergoes vertical periodic oscillations at half the driving frequency of the fluid bath. The droplets also supported internal vibrational modes in free space. The authors fixed the driving frequency and amplitude and studied the effect of varying the droplet size on the droplet's bouncing dynamics.
OAV Hava Yatağı, montajda çok önemli bir bileşendi. Gerçekten de OAVBX5050, düzgün ve ultra hassas sürtünmesiz hareketi sayesinde tüm sistemin dengelenmesi yoluyla enine titreşimleri azaltmak için kullanıldı. Eksenel yönde sürtünmesiz hareket, enine düzlemde ters hareketi engelledi. Ekip, sallayıcı rezonanslarını azaltarak toplam yükü minimumda tutmak için yeterince geniş yüzey alanına sahip bir hava yatağı seçti.
Akışkan banyosu, toplam kütlesi 570 g olan, 100 mm'lik bir akışkan içeren çapa sahipti. Hava taşıyan bir kaydırma çubuğuna monte edildi ve iki eksenli bir dijital seviye kullanılarak tüm optik tablayı eğerek hassas bir şekilde hizalandı. Banyonun titreşimleri, iki piezoelektrik tek eksenli ivmeölçer kullanılarak ölçülmüştür. Damlacıklar, bilgisayar kontrollü iki eksenli lineer öteleme aşamasından ve bir piezoelektrik damlacık oluşturucudan oluşan bir damlacık yazıcısı kullanılarak sıvı banyosu yüzeyine verildi. Damla üreteci, 35 mm çapında bir piezoelektrik zil diski ve 0,1-1,0 mm meme boyutuna sahip M6 dişli pirinç meme kullanmıştır. Sıvı, peristaltik bir pompa ile jeneratöre pompalandı ve sıvı seviyesi, bir mikrometre öteleme aşaması kullanılarak ayarlandı. Damlacıkların hareketi, bir üst görüş kamerası ve bir yan görüş kamerası aracılığıyla izlendi.
Deneyde, veri toplama ve ölçümünü kontrol etmek için çoklu alt sistemler kullanıldı. Her ikisi de 32 kHz örnekleme hızında olmak üzere, çalkalayıcı için sürüş sinyalini oluşturmak ve ivmeölçer verilerini okumak için bir bilgisayar kullanıldı. Sinyaller, bir dijital depolama osiloskopu kullanılarak izlendi ve bir yazılım geri besleme döngüsü, sabit bir sürüş genliği sağladı. Damlacıkları sıvı yüzeyine bırakmak için bir damlacık yazıcı kullanıldı ve sıcaklık problarını ve damlacık yazıcısını izlemek için iki mikrodenetleyici kullanıldı. Kameralar manuel olarak tetiklendi ve görüntüler manuel olarak işlendi. Ancak, tüm alt sistemler tek bir iş istasyonu tarafından entegre edilmiş ve kontrol edilmiştir. Çalkalayıcının mekanik rezonans özelliklerini karakterize etmek ve yüke bağımlılığını incelemek için temel ölçümler yapıldı. Çalkalayıcı rezonanslarının beklentilere uygun olduğu ve önceki çalışmalarla iyi bir uyum içinde olduğu bulundu.
Laboratuvar, iki adet PT100 platin RTD probu ve bir mikrodenetleyici tarafından izlenen, 0,5 °C sıcaklık stabilitesini korumak için klima sistemine sahipti. Kalibrasyon 21 °C ortam sıcaklığında birbirine göre yapılmıştır. Deneyler için kullanılan sıvı, 25 °C'de 950 kg/m3 yoğunluğa ve 20 cSt viskoziteye sahip silikon yağıydı. Termal karakterizasyon, akışkanın ve havanın sıcaklığının klima sistemi spesifikasyonları dahilinde kaldığını gösterdi. Ancak, yüksek hızlı görüntüleme ışığı (135 W LED) türbülanslı hava akımları üretebilir ve damlacık dinamiklerini etkileyebilir, bu nedenle yalnızca gerektiğinde açılmalıdır. Bu olumsuz etkiler, sıvı banyosu muhafazalarla korunarak ortadan kaldırılabilir. Aşırı hassasiyet gerekmedikçe sıvı sıcaklığının sürekli ölçümü gerekli değildir.
Sıvı banyosu, Faraday eşiği adı verilen belirli bir frekansa bağlı genliğin üzerinde titreştiğinde, sıvı yüzeyinde Faraday dalgaları ortaya çıktı. Yazarlar, sıvı banyosunun sürüş frekansından daha düşük bir frekansta tekrar eden kare ve üçgen birim hücrelere sahip Faraday modellerini gözlemlediler. Yazarlar ayrıca sıvı yüzeyine damlacıklar yerleştirdiler ve bunların, kütle merkezlerinin sıvı banyosunun sürüş frekansının yarısında dikey periyodik salınımlara maruz kaldığı bir (2,1) modunda kararlı bir şekilde sıçradıklarını gözlemlediler. Damlacıklar ayrıca boş uzayda dahili titreşim modlarını da destekledi. Yazarlar sürüş frekansını ve genliği sabitlediler ve damlacık boyutunu değiştirmenin damlacığın zıplama dinamikleri üzerindeki etkisini incelediler.
Damlacık yazıcı üreteci, bir banyo üzerinde gelişigüzel iki boyutlu damlacık desenleri üretti. Elde edilen yapılar damlacık-damlacık etkileşimleri ile belirlendi. Bunun bir örneği, 5 dakika sonra bir üçgen kafese dönüşüme uğrayan damlacıklardan oluşan kare bir kafestir. Sistem Faraday eşiğinden uzağa sürüldüğü ve kare kafes yerine üçgen kafes tercihi tek başına enerji tasarrufu veya daha yüksek paketleme fraksiyonu ile açıklanamadığı için bu önemsiz bir olgudur. Gözlemlenen davranış, damlacıklar ve ince sınır etkileri arasındaki dalga aracılı çok cisim etkileşimleri arasındaki karmaşık, kendi kendine tutarlı etkileşimden kaynaklanmaktadır.
______________________________
TP Simula 2023 PhyS. Scr.DamlacıkZaman Kristalleri
Bu materyal, Avustralya'nın Melbourne kentindeki Swinburne Teknoloji Üniversitesi'ndeki Optik Bilimler Merkezi tarafından desteklenen çalışmaya dayanmaktadır.