FALLSTUDIE
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.
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.
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.