Возможность наблюдать мельчайшие детали движения отдельных частиц открывает огромные перспективы для экспериментального изучения сильно-коррелированных систем. Такая возможность должна привести к лучшему пониманию фундаментальных процессов, управляющих фазовыми переходами, принципов, определяющих равновесие и самоорганизацию в жидкостях и твердых телах, условий, при которых происходит возникновение коллективных явлений и т.д.

Сила земного притяжения столь велика, что микрочастицы, помещенные в плазму, оказываются очень сильно сжаты в вертикальном направлении. Поэтому на Земле возможно создание только тонких горизонтальных слоев частиц, и, следовательно, в наземных экспериментах в основном изучаются двумерные системы (монослои). Однако, в отсутствии силы тяжести микрочастицы могут занимать весь плазменный объем, и тогда возникает возможность создания изотропных, однородных трехмерных систем. Очевидно, что условия невесомости идеально подходят для изучения процессов, происходящих в подобных системах.

Долговременные исследования комплексной плазмы в условиях невесомости, на борту Международной Космической Станции (МКС), начались 11 лет назад в рамках совместного российско-немецкого проекта. В 2001-2005 годах, первой лабораторией комплексной плазмы на борту МКС была установка «Плазменный Кристалл»  («ПК-Нефедов», названная в честь российского руководителя проекта, умершего незадолго до начала работы лаборатории). Установка следующего поколения «ПК-3 Плюс», построенная по тому же принципу, что и «ПК-Нефедов» и запущенная в 2005 году, отличалась существенными улучшениями в конструкции, возможностях манипуляции частицами, и плазменной диагностике.

Лаборатории «Плазменный Кристалл» на борту МКС за последние 11 лет. Российский космонавт Сергей Крикалев (слева) выполнял эксперименты на установке «ПК-Нефедов» в 2001 и 2006 годах, астронавт Европейского Космического Агентства Томас Райтер (справа) работал с установкой «ПК-3 Плюс» во время своего полета в 2006 году.

Конкретная форма межчастичного взаимодействия обычно не оказывает сильного влияния на качественные особенности многих универсальных процессов, происходящих в сильно-коррелированных системах. Однако, существуют очень интересные новые эффекты, возникающие когда взаимодействие становится анизотропным или характеризуется несколькими пространственными масштабами. Поэтому, создание систем с заданным типом взаимодействия между частицами можно рассматривать как задачу первостепенной важности – и это можно осуществить в комплексной плазме. Недавно были успешно проведены предварительные эксперименты по управлению межчастичным взаимодействием в заданном направлении, что обеспечило важный задел для будущих исследований на МКС. Сейчас мы занимаемся разработкой новой лаборатории «ПлазмаЛэб», где появится возможность управлять взаимодействием во трех направлениях. Это позволит создавать и изучать множество новых типов анизотропных жидкостей и твердых тел – исследования, которые могут быть выполнены только в условиях невесомости.

 В этой лекции я сделаю короткий обзор исследований комплексной плазмы на МКС и расскажу о различных экспериментах, проведенных в условиях невесомости, уделяя при этом особое внимание замечательной взаимодополняемости наземных и космических исследований.