Основы комплексной плазмы — Г. Морфилл
25 Окт 2012
Грегор Морфилл, Ph.D., профессор, иностранный член РАН, директор Института внеземной физики Макса Планка
«Пылевая» или «комплексная» плазма состоит из слабоионизированного газа и заряженных микрочастиц. Пылевая плазма повсеместно распространена в космосе – заряженная пыль присутствует в планетарных кольцах, в хвостах комет и межзвездных облаках, в мезосфере и грозовых облаках, ее можно обнаружить в окрестности искусственных спутников. Наличие пыли является критическим фактором во многих важных промышленных процессах (в плазменном напылении, производстве микросхем и т.д., где образование и рост пыли происходит естественным образом) а также в термоядерном синтезе (где появление радиоактивной и токсичной пыли из-за взаимодействия плазмы со стенками реактора является серьезной конструкторской проблемой). Вместе с тем, плазма, содержащая микрочастицы, которые можно наблюдать, активно исследуется во многих лабораториях (и термин «комплексная плазма» используется для того, чтобы отличать подобные системы от пылевой плазмы существующей в естественных условиях). После почти ста лет исследований – первые наблюдения пылевой плазмы, произведенные Ленгмюром датируются 1924 годом – нынешний интерес к комплексной плазме возник в середине девяностых, после экспериментального открытия плазменных кристаллов.
Наличие заряженных микрочастиц играет существенную роль в коллективных процессах происходящих в комплексной плазме – возникают новые низкочастотные типы волн, соответствующие колебаниям микрочастиц на фоне квазиравновесных электронов и ионов, с характерными частотами в диапазоне 1-100 Гц. Однако, заряженные микрочастицы не только меняют зарядовый состав плазмы, но также приводят к появлению новых физических процессов в рассматриваемой системе, например – эффектов связанных с диссипацией и рекомбинацией плазмы на поверхности частиц, вариацией пылевого заряда, и т.д. Эти процессы обуславливают механизмы притока энергии в систему микрочастиц. По этой причине, свойства комплексной плазмы могут быть совершенно отличными от свойств обычной многокомпонентной плазмы.
Поскольку микрочастицы имеют очень большие заряды (обычно, порядка нескольких тысяч электронных зарядов для частиц микронного размера), электростатическая энергия их взаимодействия необычайно велика. Поэтому, в комплексной плазме можно наблюдать переход между газообразной и жидкой фазами, и формирование упорядоченных структур – плазменных кристаллов, как показано на рисунке. При этом, формой потенциала межчастичного взаимодействия можно управлять (контролируя внешние условия). Эти уникальные особенности выделяют комплексную плазму на фоне многих других типов плазмы, в которых ионные заряды малы, взаимодействие фиксировано, а его энергия относительно низка.
Газообразное (слева), жидкое (в середине), и кристаллическое (справа) состояние пылевой плазмы.
Сейчас, физика комплексной плазмы – это быстро развивающаяся область исследований, включающая в себя различные фундаментальные аспекты физики плазмы, классической физики жидкости и твердого тела, нелинейной физики, и т.д. Все больше научных групп начинают заниматься этими исследованиями, и количество научных публикаций растет экспоненциально. В этой лекции, я попытаюсь представить сбалансированную картину нынешнего состояния области, обсуждая некоторые наиболее важные экспериментальные и теоретические результаты, и расскажу о перспективах дальнейшего развития.