Лабораторные эксперименты с комплексной плазмой — В. Носенко
22 Ноя 2012
Владимир Носенко, к.ф-м.н., начальник лаборатории «Комплексная плазма»
Комплексная плазма весьма популярна у экспериментаторов, поскольку во многих случаях можно наблюдать предмет исследования буквально невооруженным глазом. Например, постоянная решетки типичного двумерного плазменного кристалла (с диаметром около 5 см) составляет примерно 0,5 мм. Это позволяет достаточно легко записывать процессы, происходящие в таких системах, на обычную видеокамеру, и отслеживать положение отдельных частиц в каждом кадре. Знание координат частиц как функций времени обеспечивает полное кинетическое описание плазменного кристалла. Благодаря этому, появляется возможность определения любых характеристик системы из первых принципов, и их сравнения с существующими теориями.
Плазменная лаборатория в Институте Внеземной Физики в Гархинге. Данная экспериментальная установка является модификацией так называемой «разрядной ячейки GEC». Генерация плазмы происходит с помощью емкостного радиочастотного разряда в аргоне. Специально приготовленные моноразмерные микрочастицы (обычно сделанные из диэлектрического материала и имеющие размер 3-10 микрон, см. вставку) вбрасываются в плазму, где каждая частица приобретает заряд порядка 104 электронных зарядов. Благодаря этому, между частицами возникает сильное электростатическое отталкивание, которое компенсируется удерживающими силами потенциальной ямы (создаваемой плазмой), что и приводит к формированию плазменного кристалла.
В данный момент, существует множество направлений, в которых ведутся исследования комплексной плазмы. В своей лекции, я сконцентрируюсь на следующих интересных темах:
Динамика атомов в жидкостях. Комплексная плазма широко используется в качестве модельной системы для изучения жидкостей на уровне отдельных «атомов». Было проведено много экспериментов по измерению коэффициентов вязкости, теплопроводности, и диффузии. Тем не менее, на несколько фундаментальных вопросов до сих пор не было получено ясного ответа. В качестве примеров можно назвать реологические свойства жидкостей (зависимость вязкости от скорость сдвига), пределы применимости гидродинамики на малых масштабах, температурная зависимость теплопроводности вблизи линии плавления, теплопроводность двумерных систем в термодинамическом пределе. Еще одной интересной темой являются микроскопическая динамика переохлажденных жидкостей.
Линейные и нелинейные волны. Линейные свойства новых типов волн, возникающих в комплексной плазме благодаря присутствию заряженных микрочастиц, вполне хорошо исследованы. Однако, экспериментальное изучение нелинейных свойств, а также взаимодействия волна-частица (затухание Ландау) только начинается.
Снимок волны пылевого звука. Движение микрочастиц, помещенных в разряд постоянного, было снято с помощью высокоскоростной (1000 кадров/сек) видеокамеры. Пылевой звук является новым типом волн, где инерция связана с «массивными» микрочастицами а возвращающая сила обеспечивается электронами и ионами. Это первый тип «видимых» плазменных волн.
Использование микрочастиц для визуализации плазменных течений. Это еще одно интересное направление, где применяются вращающиеся электрические поля (аналогично методу «вращающихся стенок», используемому в ионных кристаллах). Данное явление определяется интересной и достаточно сложной комбинацией различных физических процессов.