Комплексная плазма как междисциплинарная наука: Изучение жидкостей и твердых тел на уровне отдельных частиц — А. Ивлев
15 Ноя 2012
Алексей Ивлев, д-р физ.-мат. наук
Множество фундаментальных проблем классической физики конденсированного состояния, таких как микроскопические процессы, управляющие кристаллизацией и разделением фаз, структурой жидкостей и возникновением стекольных состояний и т.д. могут изучаться с использованием модельных систем, состоящих из большого количества отдельных частиц – «атомов». Взаимодействие между «атомами» определяется свойствами среды, в которой находятся частицы, а также внешними параметрами. Комплексная плазма, которая представляет собой плазменное состояние «мягкой материи», является одним из наиболее известных примеров таких модельных систем.
Что же делает комплексную плазму столь привлекательной для междисциплинарных исследований? Ответ достаточно прост: Масштабы времени, характеризующие динамику отдельных микрочастиц в комплексной плазме (например, обратная частота Эйнштейна) имеют порядок десятков миллисекунд, и при этом размер частиц достаточно велик для обеспечения их визуализации. Таким образом, траектории отдельных частиц могут быть записаны на обычную видеокамеру, что позволяет реконструировать их кинетику в мельчайших деталях. Далее, характерная скорость обмена импульсом/энергией при взаимодействии микрочастиц друг с другом может намного превосходить скорость затухания, вызванного трением об окружающий газ. Поэтому, движение частиц в сильно коррелированных системах практически бездиссипативно, что обуславливает прямую аналогию с обычной жидкостью или твердым телом с точки зрения динамики отдельных «атомов». Кроме того, формой парного взаимодействия между частицами можно управлять, меняя внешние параметры пылевой плазмы, которая, в свою очередь, является оптически-прозрачной системой. Последнее свойство позволяет легко обеспечить визуализацию больших трехмерных систем, состоящих из тысяч слоев частиц. Наконец, существует большое количество различных способов манипуляции отдельными частицами. Все вместе, это дает возможность проводить активные управляемые эксперименты по исследованию фундаментальных процессов происходящих в жидкостях и твердых телах на уровне отдельных частиц.
 |
 |
 |
| Фронт гетерогенной кристаллизации, распространяющийся в комплексной плазме. «Кристаллические» частицы имеют преимущественно красную окраску, а жидкие частицы выглядят многоцветными. |
Течение жидкой комплексной плазмы вокруг препятствия. (а) Система приблизительно симметрична по отношению к вертикальной оси (экспозиция около 1 сек). Видны стационарные вихри в следе (1,2), граница между ламинарным течением и следом становится неустойчивой – возникает пограничный слой, толщина которого растет вдоль течения. (б) Область слоя (экспозиция около 0,05 сек). Точки (линии) соответствуют медленно- (быстро-) движущемся микрочастицам. |
Благодаря этим свойствам, междисциплинарные исследования комплексной плазмы дают уникальную возможность изучать любые универсальные динамические и структурные процессы происходящие в классических системах на уровне отдельных частиц (как показано на рисунках), охватывая весь диапазон неравновесных и равновесных процессов.
В этой лекции я расскажу о некоторых недавних исследованиях, направленных на изучение фундаментальных универсальных процессов происходящих в комплексной плазме, а также планирую обсудить некоторые актуальные проблемы междисциплинарной науки.