用于微引力探测的新型两相高密度比牵引器的研究

Observations indicate that the Universe is expanding at an accelerating rate. This acceleration can be explained by the presence of “dark energy” throughout the Universe. Although the nature of dark energy is unknown, one possibility is that it consists of a scalar field that couples to mass. Astrophysical measurements of the dark energy density imply an energy scale with corresponding to a length scale of 80μm. It might be possible to detect the presence of a scalar field constituting dark energy by searching for new interactions between objects separated by distances below the dark energy length scale. This project proposes a novel multi-phase high-density contrast attractor for micro gravity detection, which is able to interact with a present laser levitated sphere within the length of dark energy scale. Galinstan and diluted Chloride Acid are alternately transported into the microchannel of the attractor, which fabricated on a glass substrate, and the flow is driven by a syringe pump to regulate the oscillation of the two-phase fluid with 20-50Hz. The top-side of the attractor is covered by a thin metal film to exhibit shielding of unwanted Coulomb Force while diminish the distance between the multi-phase fluid and the laser levitated sphere.

观测显示宇宙在以特定的加速度持续膨胀，这一加速过程可以使用充斥宇宙的暗能量解释。暗能量的本质还不明确，一种猜测是暗能量由耦合至质量的标量场构成。天文物理的测量结果显示暗能量长度约为80微米，通过研究暗能量长度以下的物体间的相互作用，就有可能通过物体间的新的作用方式发现构成暗能量的标量场，从而更深入地了解暗能量的特征。本项目提出一种基于微流道的新型两相高密度比牵引器，可与已开发的真空中激光悬浮的小球在暗长度以下进行相互作用，有望得到新的物理规律。该牵引器利用在玻璃衬底形成的微流道上通入镓铟锡合金与稀盐酸的多相微尺度液滴，两种液滴呈周期性排列并受外部注射泵的驱动在微流道内以20-50Hz做往复运动；牵引器的顶面具有很薄的金属薄膜电屏蔽层，也可减小多相液滴与激光悬浮小球的距离。

观测显示宇宙在以特定的加速度持续膨胀，这一加速过程可以使用充斥宇宙的暗能量解释。天文物理的测量结果显示暗能量长度约为80m通过研究暗能量长度以下的物体间的相互作用，就有可能发现构成暗能量的标量场，从而更深入地了解暗能量的特性。研究暗能量长度以下的引力作用机制需要牵引器与微引力探测器相互作用。传统牵引器在运动时，需要与压电电机连接在一起，带来较高的本底噪声，且传统牵引器密度变化周期不可调节，引力测试数据单一。为了解决上述问题，本项目提出了一种基于微流道的两相高密度比牵引器，该牵引器以硅衬底作为流道主体，使用Galinstan和HCl分别作为连续相和离散项流体，通过改变微流体注射泵注射与抽取的速度获得Galinstan液滴的周期往复运动。本项目在设计方面完成了Galinstan/HCl两相微尺度液滴生成研究，定量分析了连续相与离散相的两相流速比、流道毛细管数、管壁润湿性与粗糙度对两相液滴生成及输运行为的影响；着重分析了两相微尺度液滴流动管壁压力分布，计算了双端固定悬臂梁结构的薄膜的机械性能，得到金属覆盖薄膜的理论最小厚度；设计了可以实现两相液滴生成与输运的T型微流道结构；在制造方面完成了Galinstan/HCl两相微流道完整结构的制造，实现了微流道腔体结构的成型、顶部薄膜键合覆盖、入口盖板的制备等；在表征与测试方面搭建了Galinstan/HCl两相液滴生成系统，完成两相液滴生成及输运的表征与测试，并与仿真结果实现拟合。本项目完成了所有研究内容与研究目标，实现了微流道宽度25um，顶面覆盖金属厚度计算0.81um，流道内两相液滴进行20-50Hz往复运动。完成了搭建真空测试系统，表征了两相高密度比材料在牵引器中的运动规律。本项目与斯坦福大学Giorgio Gratta教授的课题组共同开发，并在Physical Review D、Physical Review A等期刊进行报道，该项目成果已在斯坦福大学实验平台上开展应用。本项目已申请发明专利2项，1项已获授权；发表SCI论文6篇，影响因子总计23.357。本项目成果也作为亮点成果之一获得2021年“中国科学院科技促进发展奖”（本项目负责人排名第二）。