научная статья по теме ДВУМЕРНЫЙ ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД В СИЛЬНОНЕИДЕАЛЬНОЙ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ДВУМЕРНЫЙ ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД В СИЛЬНОНЕИДЕАЛЬНОЙ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ»

двумерный фазовый переход

в сильнонеидеальной пылевой плазме

О. Ф. ПетроваК М. М. Васильев0'1', Ие Тунь, К. Б. Стаценкоа, О. С. Ваулинаа'ь, Е. В. Васильева11, В. Е. Фортова Ь

" ФГБУН Объединенный институт высоких телтератур Российской академии наук

125412, Москва, Россия

ь Московский физико-технический институт 141700, Долгопрудный, Московская обл., Россия.

Поступила в редакцию 17 июля 2014 г.

Представлены результаты экспериментального наблюдения плавления плазменно-пылевого монослоя (двумерный фазовый переход) в газовом разряде низкого давления. Проведены измерения и выполнен анализ парных и ориентационных корреляционных функций, а также числа топологических дефектов в монослое. Характер изменения ориентационных корреляционных функций подтверждает существование фазового перехода твердое тело-гексатическая фаза-жидкость, что полностью согласуется с теорией Берези некого - Костерл и ца - Таулесса.

DOI: 10.7868/S0044451015020169

Плавление двумерных систем представляет интерес как с теоретической, так и с практической точек зрения в первую очередь из-за его качественного отличия от фазового перехода твердое тело жидкость в трехмерных системах [1 3]. В настоящее время существуют две основные теоретические модели, используемые для описания плавления двумерных систем. Согласно одной из них, так называемой теории Бородинского Косторлица Таулесса (в англоязычной литературе теории Berezinskii Kost01-litz Thouloss или Ivosterlitz Thouloss Halperin Nelson Young (KTHNY)), основанной на рассмотрении поведения топологических дефектов (дисклинаций и дислокаций), переход двумерной системы из кристаллического состояния в жидкое носит двухста-дийный характер с образованием промежуточной, так называемой гексатпчоской фазы [4 9]. В кристалле ориентационная и трансляционная симметрии имеют дальний порядок. При переходе в гек-сатическую фазу трансляционный дальний порядок нарушается, но при этом сохраняется ориентационная жесткость. В жидкостной фазе как трансляционный порядок, так и ориентационный порядок носят короткодействующий характер.

* E-mail: ofpetrovöihed.ras.ru

Другая известная теория (в англоязычной литературе теория grain-boundary-induced melting (GBl)) описывает плавление двумерных систем как фазовый переход от кристалла к жидкости без формирования какой-либо промежуточной фазы [10,11].

Доказательства в пользу теории Бородинского Косторлица Таулесса в системах с различными потенциалами межчастичного взаимодействия были представлены в серии экспериментальных и численных работ [12 18], в том числе для электронов на поверхности жидкого гелия [13], в коллоидных растворах с полимерными частицами [14,15], для магнитных пузырьков в топких плойках [16 18]. Отдельные попытки обнаружить гексатпчоскую фазу были также сделаны и в экспериментах с пылевой плазмой [19 24].

Пылевая плазма, представляющая собой систему нейтральных атомов, электронов, ионов и заряженных частиц микронных размеров, является удобным объектом для изучения фазовых переходов в неидеальных системах, так как, благодаря своим относительно большим размерам (1 10 мкм), пылевые частицы могут наблюдаться при помощи видеокаморы, что существенно упрощает использование прямых диагностических методов для анализа плазмен-но-пылевых структур [25 27]. Пылевая плазма по-

всеместно распространена в природе: в космосе, атмосфере планет и т. д., также она часто возникает в ряде технологических процессов, например, при производстве полупроводников. Принято считать, что пылевые частицы в плазме взаимодействуют между собой через экранированный кулоновский или дебаевский потенциал (называемый также потенциалом Юкавы). Этот вид потенциала также часто используется для описания межчастичного взаимодействия в медицине, физике полимеров и др. Большинство экспериментальных исследований пылевой плазмы выполнены в слабо ионизованной плазме газовых разрядов, где диссипация энергии частиц вследствие их столкновений с нейтральными частицами может существенно повлиять на физические свойства системы. Неэмитируюгцие пылевые частицы, инжектированные в плазму газового разряда, приобретают значительный отрицательный электрический заряд ~ 103 105в), вследствие чего могут формироваться трехмерные или квазидвумерные (монослои) упорядоченные плазмеипо-пылевые образования, подобные жидкостным или кристаллическим структурам. Для плазмы высокочастотного (ВЧ) разряда возможно формирование пылевых структур, состоящих из одного и более (до нескольких десятков) слоев [25 27].

Численные расчеты, выполненные для кулонов-ских систем и систем Юкавы, показывают, что физические свойства таких систем имеют две характерные точки фазовых переходов [19,28 34]. Первая из них относится к фазовому переходу жидкость гексатическая фаза и наблюдается, когда эффективный параметр иеидеальиости системы

г» = 1.5(е^)2(1 + к + к2/2) охр (—к.) ^ Тлгр

вторая точка (при Г* « 154) соответствует переходу от гексатичоской фазы к идеальному кристаллу, где коэффициент диффузии частиц стремится к нулю [19,28,29]. Здесь к = гр/А параметр экранирования, А длина экранирования, гр межчастичноо расстояние, Т^ кинетическая температура частиц. Отличие величины Г* от указанных точек фазовых переходов в работах других авторов составляют не более 5% [30 34].

В настоящее время сравнение теоретических предсказаний с лабораторными экспериментами в пылевой плазме не выявило достоверного согласия со сценарием плавления, предложенного в упомянутых выше теориях [19 24]. Тем не менее, авторы работ [22,24] склоняются в пользу СВ1-теории, как наиболее подходящей для описания плавления

двумерных плазменно-пылевых структур, формирующихся в плазме ВЧ-разряда низкого давления.

В настоящей работе представлены новые результаты экспериментального изучения трансляционного и ориентационного порядка и топологических дефектов, полученные при плавлении пылевого монослоя в слабоионизованной плазме ВЧ-разряда низкого давления.

Экспериментальный стенд для изучения пылевой плазмы представлял собой газоразрядную камеру, откачиваемую до давления 0.01 Па, которая затем наполнялась аргоном до давлений 4 7 Па [27]. Мощность ВЧ-разряда в экспериментах составляла 4 12 Вт. Для формирования плазменно-пылевых структур в разряд инжектировались полистироловые пылевые частицы диаметром 10.16 мкм и плотностью 1.05 г/см3. В таких условиях частицы приобретали значительный отрицательный электрический заряд и, при достижении баланса электрической силы и силы тяжести, формировали пылевую структуру (монослой) в приэлектродной области ВЧ-разряда с числом частиц не менее 2500 3000. Для визуализации (подсветки) структуры и одновременно для кинетического разогрева монослоя (увеличения кинетической температуры частиц) применялся аргоновый лазер, плоскопараллельный пучок излучения которого имел в перетяжке толщину около 250 мкм (лазерный «нож»). Мощность лазерного излучения варьировалась от 18 до 300 мВт.

Движение пылевых частиц регистрировалось при помощи высокоскоростной ПЗС-впдеокамеры с частотой видеосъемки, варьируемой в пределах 50 200 кадров/с. Полученные видеоизображения обрабатывались при помощи специально разработанных компьютерных программ, в результате чего были определены координаты частиц, их траектории и скорости движения [27]. Полученные распределения скоростей пылевых частиц в пределах экспериментальной погрешности соответствуют распределению Максвелла, что также согласуется с работами [21,25,28,35,36]. Таким образом, для пылевой компоненты плазмы соблюдается локальное равновесие.

Для невозмущенных областей пылевого монослоя также были измерены средние межчастичные расстояния гр, кинетическая температура частиц Т^, получены функции £>(£) = {Аг2)/И (здесь (Аг2) среднеквадратичное смещение пылевых частиц), а также парные д(г) и ориентационные да (г) корреляционные функции.

С помощью метода, основанного на анализе процессов массопереноса на малых временах наблюде-

Рис. 1. Парные и ориентационные корреляционные функции при различных параметрах неидеальности Г* для кристаллической (Г* = 220), гексатической (Г* = 140) и жидкостной фазы (Г* = 55). Серые кривые: а) аппроксимации пиков парных корреляционных функций у-2(г/гР). б) результаты численного моделирования функций уа(г/гр) с

параметрами, близкими к экспериментальным

пия [28], были определены основные параметры пылевой компоненты, такие как эффективный параметр неидеальности Г* и параметр масштабирования £ = и)*/р/г. Здесь

1/2

иг = <! 2((>г)2 (1 + к

кг ~2

охр(-

г^ттМ

М масса пылевой частицы, а V/,. коэффициент трения частиц при их столкновениях с нейтральными атомами буферного газа. При описанных выше параметрах эксперимента величина Г* изменялась в пределах от 10 до 600, заряд частиц ^ = 15000±500, среднее межчастичное расстояние гр « 670 мкм, характерная частота и!* « 14.5 ± 1 и коэффициент трения I//,. « 4 с-1.

Для количественного и качественного описания фазового состояния системы, как правило, применяется анализ парных д(г) и ориентационных дв(>') корреляционных функций, наряду с анализом динамики различных топологических дефектов [1 3,11]. Напомним, что парная корреляционная функция д(г) определяет вероятность нахождения некоторой частицы на расстоянии г от заданной и является мерой трансляционного порядка в системе взаимодей-

ствующих частиц (д(г) = 1 для идеального газа). Для двумерных систем ориентационная корреляционная функция ,9е (г) определяется углом в (г), образованным отрезком, соединяющим соседние частицы, и выбранным направлением г [1 3]. Для идеальной гексагональной структуры функция дв(г) = 1, в то время как для других фазовых состояний системы (например, жидкости) она убывает с увеличением расстояния. В свою очередь, топологическим дефектом называют любое нарушение трансляционной симметрии изначально идеальной кристаллической решетки, при этом число дефектов зависит от фазового состояния системы.

Изучение пространственной асимптотики парных д(г) и ориентационных дв(>') корреляционных функций также используется для анализа фазового состояния системы. Асимптотика парных функций

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком