摘要：澳大利亚昆士兰大学的研究人员，在硅芯片上成功创造出微型“海洋”，实现了波动力学研究的微型化。该装置由该校数学与物理学院研制，在小于米粒的芯片上铺设了仅数百万分之一毫米厚的超流氦薄层。

本文为深度编译，仅供交流学习，不代表智子说观点

澳大利亚昆士兰大学团队实现波动力学研究的微型化

澳大利亚昆士兰大学的研究人员，在硅芯片上成功创造出微型“海洋”，实现了波动力学研究的微型化。该装置由该校数学与物理学院研制，在小于米粒的芯片上铺设了仅数百万分之一毫米厚的超流氦薄层。

这项成果已发表在《科学》（Science）期刊上。

昆士兰大学的克里斯托弗·贝克（Christopher Baker）博士称这是全球最微型的波浪水槽。超流氦的量子特性使其能够无阻力地流动——这与水等经典流体不同，后者在如此微观尺度下会因为粘性而凝滞。

贝克博士解释道：“流体运动研究数百年来一直令科学家着迷，因为流体力学支配着从海浪、飓风漩涡到人体血液与空气流动的万物。但波浪与湍流背后的物理机制仍充满谜团。”

“通过在系统中用激光同时驱动和测量波浪，我们观测到一系列惊人现象。我们观察到向后倾斜而非前倾的波浪、激波前沿，以及被称为孤子（Soliton）的孤立波——它们以波谷而非波峰的形式传播。这些奇异行为虽在理论中被预测，但此前从未被观测到。”

昆士兰大学量子光学实验室的沃里克·鲍恩（Warwick Bowen）教授指出，这种芯片级方法可将实验时长压缩百万倍，将数天的数据采集缩短至毫秒级。

鲍恩教授解释说：“在传统实验室中，科学家需要借助数百米长的巨型波浪水槽来研究海啸、巨浪等浅水动力学现象。但这些设施仅能模拟自然波浪复杂性的冰山一角。”

湍流与非线性波浪运动塑造着天气、气候，甚至影响风电场等清洁能源技术的效率。“我们的微型装置能将驱动这些复杂行为的非线性效应放大十万倍以上。在芯片尺度上以量子级精度研究这些效应，将彻底改变我们对其理解与建模的方式。”

鲍恩教授指出，昆士兰大学的这项突破为可编程流体力学开辟了道路：“由于该系统的几何结构和光学场采用与半导体芯片相同的制造技术，我们能以非凡精度调控流体的有效重力、色散（色散效应）及非线性特性。”

他表示：“未来的实验可借助该技术发现流体动力学新定律，加速从涡轮机到船体等各类技术的设计。在这一微型平台上开展的实验将提升我们预测天气、探索能量级联效应乃至量子涡旋动力学的能力——这些问题既是经典流体力学的核心课题，也是量子流体力学的重要研究方向。”

从巨大的海浪水槽到微米级的超流波槽，这项研究以一种近乎极致的方式体现了科学研究的“降维”。通过将一个宏大、复杂的物理系统压缩到一个芯片上，研究人员不仅避开了经典流体在微观尺度的粘性问题，更以前所未有的精度放大了关键的非线性效应。

那些在理论中被预言多年的“向后倾斜波浪”和“波谷孤子”，终于在人类指甲盖大小的“海洋”中显现了真容。

这种微型化的意义不仅在于加速数据采集，更在于为人类提供了一个“纯净”的实验室，用以观察那些塑造我们世界的、基础而复杂的物理规律。

在这一方微小的超流氦薄层中，潜藏着对天气预测、清洁能源效率，乃至量子流体力学更深层次理解的关键。它证明了，在探索自然界运行规则的道路上，“小”同样可以具有无穷的力量。

如果你对这个话题也有自己的经历或思考，欢迎在评论区聊聊。

作者：昆士兰大学

来源：无敌浩克一点号