Физика

Физики пронаблюдали фазу гексатик при плавлении двумерной пыльной плазмы

Физики пронаблюдали фазу гексатик при плавлении двумерной пыльной плазмы

E. V. Vasilieva et al. / Scientific reports, 2021

Российские физики расплавили двумерный плазменно-пылевой кристалл из частиц полистирола с никелевым напылением и подтвердили, что в ходе плавления образуется промежуточная фаза гексатик с близким позиционным порядком и квазидальным шестикратным ориентационным порядком. С помощью расчета координат и траекторий движения частиц авторы получили дифракционную картину и границы параметра связывания (мера упорядоченности), при которых такая фаза существует. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

В двумерных системах физические явления протекают более экзотично, чем в трехмерных. В 2016 году первоооткрывателям топологических фазовых переходов Дэвиду Таулессу и Майклу Костерлицу присудили нобелевскую премию по физике, о чем мы рассказывали в материале «Топологически защищен». Фазовые переходы в двумерных системах значительно отличаются от стандартного плавления или кристаллизации. По теории, разработанной Березинским, Костерлицем и Таулессом и дополненной Галпериным, Нельсоном и Юнгом, в ходе перехода двумерного вещества из твердого в жидкое появляется промежуточная фаза — гексатик, которая характеризуется наличием близкого позиционного порядка и квазидального ориентационного порядка по шести направлениям.

Такой переход был лишь предсказан теорией, а экспериментаторы много лет ищут следы двухстадийного перехода в двумерных системах. Например, его обнаруживали в электронных монослоях на поверхности жидкого гелия, в полимерных коллоидных частицах, жидких кристаллах, сверхпроводниках и в плазменно-пылевых кристаллах. Обнаружить их существование в пылевой плазме получилось только несколько лет назад — для ее обнаружения ученые исследовали корреляцию движения частиц полистирола в плоскости, поместив их в газоразрядную камеру, наполненной аргоном. Для нагрева двумерного плазменно-пылевого двумерного кристалла физики использовали аргоновый лазер и варьировали его мощность. Однако полноценному изучению фазы гексатика помешала нестабильность двумерной системы.

В этот раз Елена Васильева (E.V. Vasilieva) с коллегами из Объединенного института высоких температур РАН и МФТИ повысила устойчивость системы, используя в качестве пыли десятимикрометровые частицы полистирола с напыленным на поверхности никелем. Частицы подаются вместе с газом в камеру между электродами, на которые подается радиочастотный ток, они отрицательно заряжаются из-за ионизации атомов аргона и зависают на уровне, где компенсируются электростатическая и гравитационная силы, формируя периодическую решетку. Чтобы предотвратить расползание частиц по плоскости, в области концентрации ученые установили ограничительное металлическое кольцо.

Установка эксперимента по созданию и плавлению пылевой плазмы

E. V. Vasilieva et al. / Scientific reports, 2021

Заряд пылевой частицы в 15 тысяч раз больше заряда электрона, а размер на пять порядков превышает размеры ионов в кристаллических веществах, а потому получаемые плазменно-пылевые кристаллы имеют большой период решетки, который можно увидеть и невооруженным взглядом. Для воздействия на систему ученые использовали аргоновый лазер, мощность которого варьировалась от 20 до 300 милливатт. В отличие от неравномерного нагрева кристалла из непокрытых частиц полистирола никелевое покрытие обеспечивало равномерный нагрев частиц.

Вид структуры частиц в плазменно-пылевом кристалле

E. V. Vasilieva et al. / Scientific reports, 2021

Вид корреляционных структур гексатика при плавлении

E. V. Vasilieva et al. / Scientific reports, 2021

Хаотическое движение в жидкой фазе пылевой плазмы

E. V. Vasilieva et al. / Scientific reports, 2021

Чтобы удостовериться, что никелевое покрытие не разрушается в ходе эксперимента, ученые с помощью электронной микроскопии сравнили поверхности частиц — металл оставался таким же равномерным, как и до эксперимента. Движение порядка десяти тысяч частиц физики отслеживали с помощью камеры со частотой съемки в 50 — 200 кадров в секунду. С увеличением мощности лазерного нагрева пылинки начинали больше двигаться: от стационарных колебаний частиц до хаотического движения двумерной жидкости. Распределение скоростей с достаточной точностью описывается Максвелловским распределением с погрешностью в семь процентов.

С помощью видеокамеры ученые оценили средние расстояния между частицами и скорости их движения, из которых они выразили эффективный параметр связывания (распространенная величина для описания порядка в системе). Переход между жидкой и гексатик фазами происходит при значениях этого параметра в 98,4, а переход между гексатиком и кристаллом при 154. Для описания фазового состояния системы используются парные и связе-угловые корреляционные функции. Для идеальной гексагональной кристаллической структуры связе-угловая корреляционная функция равна единице на любом расстоянии, тогда как в других системах она уменьшается с расстоянием.

Важным уточнением гексатик фазы стал расчет структурных параметров и построение дифракционной картины в зависимости от эффективного параметра связывания. В кристаллическом состоянии наблюдаются отдельные рефлексы симметричные относительно оси шестого порядка, в жидком состоянии наблюдаются концентрические окружности. Тогда как для гексатик фазы заметны гексагональные размытые фигуры, что и подтверждает наличие промежуточной фазы при плавлении двумерного плазменно-пылевого кристалла.

Рефлексы на двумерной дифрактограмме от плазменно-пылевого кристалла

E. V. Vasilieva et al. / Scientific reports, 2021

Размытие рефлексов на дифрактограмме с сохранением шестиугольных мотивов в гексатике

E. V. Vasilieva et al. / Scientific reports, 2021

Концентрические рефлексы на двумерной дифрактограмме от жидкого пылевой плазмы

E. V. Vasilieva et al. / Scientific reports, 2021

Порядок в значительной степени зависит от дефектности структуры. Для гексагональной решетки основные дефекты это дисклинация — когда у одного узла есть пять или семь соседей, а не шесть — или дислокации — когда такие дефектные 5-7 ячейки находятся в паре. Ученые посчитали доли таких дефектных ячеек в зависимости от параметра связывания. При уменьшении эффективного параметра связывания количество дислокаций начинает расти при значении в 170, а количество — дисклинаций при 110. Что позволяет грубо оценить границы фазовых переходов, однако дислокации слишком сложны для точного подсчета, так как могут схлопываться или соединяться в связанные агломераты, которые выступают в роли зародышей для устойчивых свободных дислокаций. А рассчитав восприимчивость к глобальному параметру порядка, ученые установили точные значения эффективных параметров связывания для переходов: 160 и 100, соответственно.

Зависимость количества дислокаций и дисклинаций от эффективного параметра связывания с обозначенными границами существования фазы гексатика

E. V. Vasilieva et al. / Scientific reports, 2021

Для дополнительного подтверждения применимости теории БКТ для описания плавления плазменно-пылевого кристалла ученые рассчитали энергию ядра дислокации, которая оценивается из доли дислокаций в веществе. Чтобы получить нижнюю границу такой оценки, за дислокации считали все дефектные ячейки и при этом значение энергии ядра дислокации (3,1kT) получилось выше порогового значения (2,84kT), ниже которого нарушаются явления, предсказанные теорией БКТ. Таким образом ученые доказали, что в ходе плавления плазменно-пылевых кристаллов, которые наблюдаются в космической плазме и мезосфере Земли, существует промежуточная фаза гексатик и определили границы ее существования по параметрам связывания.

Пылевую плазму исследуют за счет ее аналогичности ионным структурам, но с большими расстояниями и зарядами. Это позволяет наблюдать в ней эффекты, которые еще не обнаружили в кристаллических структурах. Например, два года назад российские ученые из Объединенного института высоких температур РАН охладили пылевую плазму из оксида церия до двух кельвин и пронаблюдали самоорганизацию частиц в волокна, что может помочь в будущем понять, как получать материалы с необходимыми формами и свойствами на атомном уровне.

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть