周期基板下二维尘埃等离子体对外加驱动力的动力学响应的研究

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实验室尘埃等离子体一般是指含有微米尺度尘埃颗粒的部分电离成等离子体态的气体。由于尘埃颗粒所携带的电荷量较大,颗粒间势能一般大于其动能,即形成强耦合等离子体,大量尘埃颗粒表现出典型的固体和液体的性质。在等离子体放电腔中,尘埃颗粒可通过电场悬浮并限制在等离子体鞘层中,并且自组织形成一个单层悬浮,即二维尘埃等离子体。更有意义的是,实验中二维悬浮中每个尘埃颗粒的运动轨迹,可以通过高速相机直接记录和精确追踪。约三十年前在半导体芯片刻蚀中首次实验实现至今,实验室尘埃等离子体已被发展成为典型的实验模型体系,固体和液体中众多的基础物理过程均可通过尘埃等离子体从单颗粒尺度上研究其微观物理机制。尘埃等离子体研究几乎全部集中在颗粒系统自身的群体性行为,其实等离子体复杂的电磁环境也能对其动力学行为实现有效调控。二维尘埃等离子体中大量颗粒间强耦合相互作用与外加势场之间,可产生竞争、匹配等一系列效应。本篇论文中,采用朗之万动力学方法,模拟了一维周期性基板调制下的二维尘埃等离子体动力学行为,系统地研究了这一系统在一系列不同幅度恒定直流驱动力下的相变机制,以及这一系统在不同幅度和频率的纯交流驱动力下系统的结构和动力学行为等。对一维周期性基板调制下的二维尘埃等离子体施加一个从零逐渐增加的恒定直流驱动后,通过对系统进行静态结构诊断(the fraction of sixfold coordinated particles),和沿着驱动力方向集体漂移速度的动力学诊断,研究发现了此系统存在钉扎态、无序塑性流动态和移动有序态这三种完全不同的非平衡动力学相态。同时,基于颗粒运动轨迹,尤其在系统整体漂移的移动坐标系下的相对运动轨迹,进一步确认了这三个动力学相态。随后,基于此系统在相态转变处的静态结构和集体漂移速度两种诊断参数的连续性或不连续性的变化性质,充分显示了基板深度对系统在三个动力学相态之间的相变性质具有显著的调制作用。此外,当系统外加驱动力从零逐渐单调递增至最大,并从最大再单调递减至零的两步操作中,发现在上述不连续性相变处,颗粒系统的集体漂移速度呈现典型的迟滞回线,而连续相变处,此迟滞回线彻底消失。由此,从不同角度验证了上述观测到的连续或不连续性质的相变过程。最后,还绘制了脱钉过程中,系统中颗粒在两个方向运动对应的动理温度(kinetictemperature),同样显示了上述系统脱钉相变过程的连续或不连续性质。另外,当基板深度较深时,颗粒运动显示出强烈的各向异性,且变化趋势不再像基板较浅时那么同步。针对一维周期性基板调制下二维尘埃等离子体,除了上述恒定直流驱动结果之外,论文中还进一步对外加纯交流驱动的效应也进行了初步的研究。通过不同参数下模拟数据的分析发现,在低频纯交流驱动下,尘埃颗粒系统的颗粒排布结构和运动行为均能产生有效的响应。模拟结果显示,此纯交流驱动力的频率和振幅对该系统的脱钉阈值具有明显的调制作用。纯交流驱动力的频率对其脱钉阈值的影响是单调的,频率越低则脱钉阈值越小。纯交流驱动力的振幅对系统脱钉阈值的影响呈现钟型曲线,且系统脱钉阈值的峰值与一维基板参数有关。研究还发现此纯交流驱动力的频率对颗粒在脱钉过程形成的不同非平衡动力学相态的结构有着显著影响,频率越低,形成的三种非平衡动力学相态结构越稳定。另外,模拟数据还显示,在整个脱钉动力学过程中,系统产生的非平衡脱钉相变的性质并不会受到纯交流驱动的影响。
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