Исследовательский коллектив Объединённого института высоких температур РАН и МФТИ обнаружил неожиданный механизм взаимодействия двух пылевых частиц в плазме: неравномерная структура «кильватерного следа», оставляемого верхней частицей, формирует у нижней частицы вертикальные колебания с частотой, вдвое превышающей их поперечные смещения.
Пылевая плазма — это ионизированный газ с микрочастицами, называемыми пылинками. Она встречается от межзвёздных облаков и колец Сатурна до промышленных установок по производству микрочипов и термоядерных реакторов. В лабораториях обычно создают плазму с направленным потоком ионов. Когда в этот поток попадает отрицательно заряженная пылинка, она действует как фокусирующая линза для положительных ионов, образуя за собой зонuу повышенной плотности заряда — аналог кильватерного следа лодки. Эта ионная «волнa» притягивает другие отрицательно заряженные частицы и способствует формированию упорядоченных структур, например вертикальных цепочек. Однако до настоящего времени оставались вопросы о том, как именно неравномерность этого следа влияет на динамику самих частиц.
Для решения этой задачи учёные применили полностью самосогласованное численное моделирование с помощью OpenDust, что позволило высокоточно просчитать взаимодействие пылевых частиц с плазменным окружением. Была создана виртуальная система из двух частиц, расположенных друг над другом вдоль потока ионов. Основной целью стало выяснить, каким образом неровности кильватерного следа верхней частицы отражаются на спектрах колебаний обеих. При этом использовался усовершенствованный метод спектрального анализа стохастических флуктуаций, который «слушает» тепловой шум частиц и извлекает информацию о действующих силах, коэффициентах трения и других ключевых параметрах системы.
Результаты моделирования продемонстрировали, что неравномерность кильватерного следа почти не сказывается на поперечных колебаниях, тогда как продольные движения претерпевают кардинальные изменения. Ключевым открытием стала новая вертикальная мода у нижней частицы, чья частота точно в два раза превышает частоту относительных горизонтальных колебаний. Эта мода не является собственным резонансом системы, а представляет собой «эхо» движений в другой плоскости.
Эдуард Саметов, сотрудник лаборатории физики активных сред и систем МФТИ: «Мы установили, что горизонтальные и вертикальные динамики частиц тесно переплетены. Любое смещение в горизонтальной плоскости создаёт «рябь» в кильватерном следе, которая затем запускает вертикальные вибрации нижней частицы с удвоенной частотой. Это похоже на сложный танец, где шаги в одном направлении задают ритм движениям в другом. Понимание этого механизма откроет новые горизонты в анализе сил в плазме.»
Разработанная аналитическая теория, лежащая в основе обновлённого метода спектрального анализа, позволяет не только наблюдать, но и количественно оценивать силы взаимодействия, коэффициенты трения, температуру тепловых источников и, что особенно важно, горизонтальный градиент заряда нижней частицы. Тестирование на данных численного моделирования подтвердило высокую точность предложенного подхода.
Практическая значимость исследования чрезвычайно велика: способность точно измерять межчастичные силы в пылевой плазме критична для управления процессами напыления и травления в микроэлектронике, а также для предотвращения загрязнения в установках термоядерного синтеза. С фундаментальной точки зрения работа открывает новое окно в изучение сильно связанных неравновесных систем с нецентральными и нереверсивными взаимодействиями.
В дальнейшем учёные планируют применить усовершенствованный метод к анализу экспериментальных данных и расширить исследования на многокомпонентные системы, что позволит глубже понять принципы самоорганизации материи в одном из самых распространённых состояний Вселенной.
Научная статья: E. A. Sametov, D. A. Kolotinskii, E. A. Lisin, A. V. Timofeev. «Influence of wake field inhomogeneity on the vibrational spectra of two dust particles in a plasma with an ion flow», Phys. Plasmas 31, 123705 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0240134
