液态金属液相放电的等离子体现象与光量子效应

除了固、液、气三种物质状态，宇宙中还存在第四种物质状态——等离子体。这是一种常见的物质形态，它不仅仅由中性原子和分子组成，还含有大量的电子和离子，整体呈电中性。常见的电弧、霓虹灯、闪电中的发光气体，还有恒星以及地球周围的电离层等，都是等离子体。液相等离子体一般发生在弱电解液中，在两个电极之间施加适当的电压，当电压超过某一临界值时，由工作电极与溶液界面处的电势突变产生的高强度电场，会击穿电解液，继而产生等离子体放电现象，放电过程中，会同时产生光、电、声等非常复杂的瞬态物理现象。

以往，等离子体放电现象使用的电极基本都是固体金属电极，施加的电压一般在数千伏，伴随此要求需要高压生成电路等复杂设备。笔者实验室在液体环境中引入液态金属作为一种软金属电极，实现了液相放电等离子体现象［11］。如图3.18所示，在液态金属电极（在毛细玻璃管中）和铜板电极之间，施加电压20 V，很容易产生等离子体放电现象。利用液态金属作为等离子体电弧放电电极，相对于传统的放电电极，大大减小了施加电压大小，同时简化了等离子体放电装置。

有趣的是，液态金属还能以射流电极形态持续不断激发放电等离子体现象。如图3.19所示，不仅在与铜片电极接触点处出现等离子放电现象，且在整条液态金属射流线上，也会随机产生液态金属放电现象［11］。不加电场时，液态金属射流可以在自剪切效应下形成微米量级的颗粒，当施加一定电压时，产生液态金属等离子体现象，液态金属射流会断裂形成亚微米级甚至纳米级的颗粒。除此之外，液态金属等离子体还可以用来对金属表面进行镓、铟的涂覆或渗透，改变材料的润湿性。处理过程中，工件温度比较低，不会出现变形。若设计妥当并通过程序控制，上述液态金属等离子体发光现象还可用于制作各种尺寸的低成本柔性显示器。

图3.18　液态金属液相等离子体现象［11］

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图3.19　液态金属射流电极持续不断激发的液相等离子体现象［11］

实际上，上述现象也隐含着量子效应［12］。也就是说，受电场激发，溶液内液态金属电极间可产生光量子现象（图3.20），同时还发出一定的声音。为此，我们曾撰文提出并初步给出了对应的光量子效应解释［12］，推导出对应的电学诱发光量子与声量子效应的基本方程，并指出这类易于实现的量子行为可能在量子通信或量子计算机研制上发挥作用。不过此方面还需要巨大努力和全方位的研究。

图3.20　溶液内液态金属电极间由电场诱发的光量子效应［12］

a.液态金属间隙中发生的颗粒碰撞；b.电子碰撞后的能量转换示意；c.受激粒子的能级跃迁。