《物理评论快报》发表我校研究团队在复杂等离子体实验领域的最新研究成果

发布时间:2019-11-02 | 发布部门:理学院

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近日,我校理学院应用物理系杜诚然特聘研究员课题组与德国宇航中心空间材料研究所、马普学会地外物理研究所合作,在地面实验室首次实现了二元复杂等离子体非晶态系统,揭示了颗粒动力学与局域结构的关联。研究结果以“准二维二元复杂等离子体中的慢动力学(Slow Dynamics in a Quasi-Two-Dimensional Binary Complex Plasma)”为题发表在国际著名期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

(PRL报道杜诚然特聘研究员课题组最新成果)

复杂等离子体,也被称为尘埃等离子体,是由电离气体中的电子、离子、中性气体和固体介观颗粒组成的一种特殊等离子体。复杂等离子体具有颗粒宏观可见、运动直接可测的特点,作为软物质模型系统,既能从流体角度研究宏观尺度的动力学过程,也能从动理学角度模拟物质的各种“原子”尺度物理性质,是一种以宏观可视手段揭示各种微观复杂过程的内在物理机制、发现新物理现象的天然“物理模拟器”。自从1994年在实验室首次发现等离子体晶格以来,复杂等离子体物理研究主要集中在具有规则结构的等离子体晶体与动力学温度高于熔点的等离子体液体中。由于实验中常使用单分散颗粒,系统内相互作用均匀,在强耦合状态下结晶难以被抑制,因此,非晶态复杂等离子体系统很难被实现,其物理特性也缺少系统的研究。

(实验示意图)

杜诚然特聘研究员团队与合作者在实验室真空放电腔中利用二种不同直径和材质的介观颗粒形成一个混合二元复杂等离子体,成功抑制了系统结晶,并在重力与鞘层电场的协同作用下悬浮于电极上方形成一个准二维非晶态系统。由于鞘层离子尾流作用,颗粒相互作用表现出违反牛顿第三定律的特征。利用激光显微技术记录颗粒的慢动力学过程,计算中间散射函数(intermediate scattering function),并结合系统的局域结构,揭示α弛豫过程与结构的关联。基于复杂等离子体低阻尼耗散的特性,实验上实现复杂等离子体非晶态系统,为同时研究处于两个不同时间尺度的α弛豫过程与β弛豫过程提供了可能。


(等离子体晶格与非晶态二元复杂等离子体)

近年来,杜诚然特聘研究员团队与合作者利用地面实验室装置GEC与国际空间站微重力实验装置PK-3 Plus及PK-4,开展了多项复杂等离子体实验与模拟工作,研究了在重力限制条件下的二维及准二维系统和在零重力条件下的三维系统中的相互作用特性、波动演化、结晶过程等物理现象,并发表了一系列研究论文(PRX, 5, 011035, 2015; NJP, 19, 073015, 2017; EPL, 123, 35001, 2018; POP, 26, 013702, 2019等),其中发表在《欧洲物理快报》(Europhysics Letters)上的论文(EPL, 117, 25001, 2017)还入选该期刊年度亮点(Highlights of 2017)。

该项工作得到了国家自然科学基金、东华大学特聘研究员启动资金等资助。

论文链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.185002

视频:   编辑:朱一超   信息员:唐晓亮   撰写:李学元   摄影: