Российские ученые выяснили, что пылевая плазма ведет себя как активная материя

Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports. Плазма — ионизированный газ, одно из четырех классических агрегатных состояний вещества. Этот газ содержит в себе свободные электроны и ионы — положительные и отрицательные. Плазма с так называемой конденсированной дисперсной фазой — это плазма, в которой есть еще и дополнительные частицы микронных размеров.

Эти частицы (их из-за размеров называют пылевыми) заряжаются до очень больших величин заряда и взаимодействуют друг с другом, словно атомы в классическом веществе. Встречаются такие пылевые системы в ионосфере Земли, на космических объектах, в технологических установках для травления микросхем и термоядерного синтеза и, конечно, в лабораториях.

Российско-индийский научный коллектив обнаружил, что такая сложная плазменная система при определенных условиях может проявлять уникальные свойства активной материи, в которой частицы микронного размера преобразуют энергию окружающей среды в подвижность и тем самым становятся активными.

«В эксперименте нашими индийскими коллегами было обнаружено, что при определенных условиях макроскопические пылевые частицы самоорганизовались в структуру, в которой стационарно сосуществуют друг с другом упорядоченная и неупорядоченная области, — аналог кристаллической и жидкой фазы материи. В свою очередь, нам при помощи теоретических методов удалось показать, что причиной обнаруженного эффекта является возможность пылевых частиц в плазме проявлять свойства так называемого активного вещества и превращать энергию окружающей плазмы в энергию собственного движения.

Это происходит за счет формального невыполнения третьего закона Ньютона в подсистеме пылевых частиц — при том, что в системе целиком, включающей в себя, помимо пылевых частиц и частицы окружающей плазмы, третий закон Ньютона, безусловно, выполняется», — рассказывает Владислав Николаев, соавтор исследования, аспирант МФТИ и научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ.

Для моделирования экспериментальной структуры из микронных частиц в плазме сотрудники МФТИ и ОИВТ РАН использовали суперкомпьютерные методы, позволяющие описывать систему как на макроскопическом уровне пылевых частиц, так и на микроуровне ионов и электронов плазмы. В рамках реализации такого многомасштабного подхода был написан программный код для запуска расчета на высокопроизводительных вычислительных машинах с использованием современных графических ускорителей.

По словам исследователей, для решения столь, на первый взгляд, незамысловатой задачи, как описание динамики системы заряженных частиц, потребовалось несколько недель непрерывных расчетов на суперкомпьютерах МФТИ и ОИВТ РАН. В итоге суперкомпьютерное моделирование позволило объяснить эффект самоорганизации структуры из микронных частиц в плазме, при котором в системе наблюдается аналог границы раздела кристалла и жидкости в классическом веществе.

«Описанный эффект позволяет наблюдать устойчивое сосуществование фаз в неравновесной неидеальной системе пылевых частиц. Процессы в такой системе, в отличие от атомарных систем, можно исследовать на кинетическом уровне, возможно даже увидеть систему невооруженным взглядом за счет больших расстояний между пылевыми частицами. Фазовые переходы в плазме с конденсированной дисперсной фазой исследуются около 30 лет, однако в нашей работе впервые создана экспериментально и объяснена теоретически плазменно-пылевая система, в которой пылевые частицы в различных областях системы проявляют разную степень активности, что позволило наблюдать устойчивое сосуществование плотной неупорядоченной фазы и менее плотной упорядоченной фазы», — заключает Алексей Тимофеев, руководитель исследования, заместитель руководителя программы «Вычислительная физика конденсированного состояния и живых систем» МФТИ и заместитель директора  по научной работе ОИВТ РАН.

По словам исследователей, результаты работы имеют большое фундаментальное значение, так как ложатся в обоснование использования пылевой плазмы в качестве экспериментального полигона для изучения свойств активной материи. Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты могут использоваться для описания поведения заряженных частиц в плазме технологических установок для травления микросхем, а также применяться для решения задачи удержания заряженных частиц в электростатических ловушках с различной конфигурацией. Такие ловушки активно используются для удержания ионов, в том числе при создании антивещества.