Phase transition and collective dynamics of two-dimensional many-particle systems  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
75113
Type PD
Principal investigator Hartmann, Péter
Title in Hungarian Fázisátalakulás és kollektív dinamika kétdimenziós sokrészecske rendszerekben
Title in English Phase transition and collective dynamics of two-dimensional many-particle systems
Keywords in Hungarian fázisátalakulás, erősen csatolt plazma, poros plazma, diszlokáció dinamika, hullámdiszperzió
Keywords in English phase transition, strongly coupled plasma, dusty plasma, dislocation dynamics, wave-dispersion
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Plasma physics
Panel Physics 1
Department or equivalent Complex Fluids Department (Wigner Research Centre for Physics)
Starting date 2009-01-01
Closing date 2012-06-30
Funding (in million HUF) 0.267
FTE (full time equivalent) 2.60
state closed project
Summary in Hungarian
Jelen pályázat tárgya síkbeli elrendeződésű (2D), erősen kölcsönható sokrészecske rendszerek vizsgálata. Kísérletileg „poros“ plazmában, elméletileg pedig molekuladinamikai és klasszikus Metropolis Monte Carlo szimulációk során tanulmányozom a rendszer termodinamikai, szerkezeti és kollektív (hullámdiszperziós) tulajdonságait. Poros plazmában (ahol az elektromosan töltött mikrométer méretű porszemcsék síkba rendeződve lebegnek) egyedülálló lehetőség van arra, hogy modern képrögzítő és feldolgozó módszerekkel egyszerre több ezer kölcsönható részecske helyét és sebességét kellő időfelbontással rögzíthessük. Az így kapott teljes mechanikai információ szolgál alapjául a mérést követő, statisztikus fizika ismert törvényein alapuló elemzésnek.
A kutatás során különös hangsúlyt kap a szilárd-folyékony (kristályszerűen rendezett – folyadékszerűen rendezetlen) fázisátalakulás, amely két-dimenziós rendszerekben évtizedek óta ellentmondásos területe a fizikának. Ehhez mind kísérletileg, mind a számítógépes szimulációk során egyensúlyi rendszerekben vizsgálok számos mennyiséget (pl. belső energiát, kötésszög rendparamétert, stb.) amelyek változása a rendszer hőmérsékletének (ill. Coulomb csatolási paraméterének) függvényében betekintést engednek a fázisátalakulás részleteibe.
A tervezett munka az említett fizikai rendszerek alapjelenségeinek megértését célozza, kiegyensúlyozott arányban tervezi a kísérleti és a numerikus szimuláció által nyújtott lehetőségek kihasználását. Az eredményeket nemzetközi folyóirat cikkekben és tudományos konferenciákon fogom ismertetni. A megépült kísérelti elrendezésre alapozva emelt szintű hallgatói laborgyakorlat indítását tervezem.
Summary
The planned basics research focuses on the investigation of strongly interacting two-dimensional many-body systems. Experimentally this will be realized in a “dusty plasma” setup, while theoretically through the application of molecular dynamics and classical Metropolis Monte Carlo methods to study thermodynamic, structural and collective (wave-dispersion) properties. In dusty plasma experiments (where the electrically charged micron sized particles levitate in a plane) together with modern image capture and processing techniques we have the possibility to record position and velocity of a few thousand particles with sufficient time resolution. The full mechanical information of the system obtained this way is the basis of the analysis based on the solid foundations of classical statistical mechanics.
In the proposed research the issue of the solid-liquid phase transition (between crystal-like ordered and liquid-like disordered phases) is specially emphasized, which has been, for some time, a matter of intense controversy. For this I plan to perform measurements of a large set of parameters (internal energy, bond-order parameter, etc.) on equilibrium ensembles in both experiment and computer simulations. The temperature (or Coulomb coupling parameter) dependence of these quantities will give us deeper insight into the details of the melting transition.
The primary aim of our work is to understand the basic physical phenomena taking place in the above mentioned systems through utilizing the possibilities of both experiments and numerical simulations. The research results will be communicated in international scientific journals and at conferences. The experimental setup will be accessible to undergraduate students in form of an advanced laboratory practice offered at universities in Budapest.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Poros plazma rendszert használtam a hagyományos (atomos) anyagokban lejátszódó kollektív jelenségek kvalitatív modellezésére. Ehhez egy gázkisülésen alapuló kísérleti berendezést építettem, valamint molekuladimanikai szimulációkat fejlesztettem. Kísérletileg kimutattam az elektromosan töltött, erősen csatolt részecske kettősrétegekben megjelenő optikai hullámmódusok jelenétét. Megmértem az egyrétegű poros plazma komplex viszkozitását az erősen csatolt folyadék fázisban. Kimutattam, a rendszer nem-Newtoni statikus és az erősen nemlineáris dinamikus reológiáját. Szimulációval vizsgáltam az egyensúlyi olvadás mechanizmusát kétdimenziós Yukawa és dipólus rendszerekben. Megállapítottam, hogy a rendszerméret növelése mellett az általában elhanyagolt relaxációs idő megnövelése is szükséges ahhoz, hogy egyensúly közeli állapotot tudjunk elérni, amely esetén a népszerű KTHNY elmélet által jósolt hexatikus fázis nem jelenik meg. Szimulációval vizsgáltuk nagy külső mágneses terek hatását az egyrétegű Yukawa rendszerek termikusan gerjesztett fluktuácio-spektrumára. Fenomenológikus elméleti leírást adtunk a megjelenő magas harmonikusok diszperziójának leírására. Szimulációval vizsgáltam a szuperparamágnes részecskék és gyenge külső mágneses tér alkalmazása mellett a poros plazma kísérletekben várható alapállapotok szerkezetét. Megmutattam, hogy a külső tér irányának és nagyságának változtatásásval lényegesen különböző krisztályszerkezetek állíthatók elő.
Results in English
Dusty plasma system was used as a model system to uncover the microscopic details of different collective phenomena happening in normal (atomic) materials. For this I have constructed and built a gas-discharge based experimental equipment and developed molecular dynamics simulation codes. I have experimentally demonstrated that electrically charged, strongly coupled particle bilayers develop optical wave dispersions, which have purely correlational origin. I’ve measured the frequency dependent complex viscosity of a single-layer dusty plasma in the liquid phase. I’ve shown that the non-Newtonian system exhibits a highly non-linear static and dynamic rheology. Our numerical simulations on the melting of two dimensional dipole and Yukawa systems show, that with extrapolating the relaxation time to infinity results in the disappearance of the hexatic phase predicted by the popular KTHNY theory. Numerical investigations of the effect of large external magnetic fields on the single-layer Yukawa systems’ thermally excited fluctuation spectrum revealed the existence of high harmonic excitations. Phenomenological theoretical description was given to describe the resulting dispersion of these harmonics. Simulations of super-paramagnetic particles in weak external magnetic fields have shown that altering the external fields’ direction and magnitude creates significantly different crystal structures in 2D.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=75113
Decision
Yes





 

List of publications

  
Hartmann P; Donkó Z; Kalman G J; Kyrkos S; Golden K I; Rosenberg M: Collective dynamics of dusty plasma bilayers, Phys. Rev. Lett. 103: 245002, 2009
Hartmann P, Douglass A, Reyes J C, Matthews L S, Hyde T W, Kovács A, Donkó Z: Crystallization Dynamics of a Single Layer Complex Plasma, Phys. Rev. Lett.; 105, 115004, 2010
Hartmann P; Sándor M Cs; Kovács A; Donkó Z: Static and dynamic shear viscosity of a single-layer complex plasma, Phys. Rev. E 84, 016404, 2011
Kalman G J, Donkó Z, Hartmann P, Golden K I: Strong Coupling Effects in Binary Yukawa Systems, Phys. Rev. Lett. 107, 175003, 2011
Bonitz M, Donkó Z, Ott T, Kahlert H, Hartmann P: Nonlinear Magnetoplasmons in Strongly Coupled Yukawa Plasmas, Phys. Rev. Lett.: 105, 055002, 2010
Derzsi A; Hartmann P; Korolov I; Karácsony J; Bánó G; Donkó Z: On the accuracy and limitations of fluid models of the cathode region of dc glow discharges, J. Phys. D: Appl. Phys. 42: 225204, 2009
Hartmann P; Donkó Z; Tierney K P; Lee C J; Kalman G J: Higher harmonic generation in strongly coupled plasmas, J. Phys. A: Math. Theor. 42: 214040, 2009
Donkó Z; Hartmann P; Kalman G J: Two-dimensional dusty plasma crystals and liquids, J. Phys.: Conf. Ser. 162: 012016, 2009
Hartmann P; Kalman G J; Golden K I; Donkó Z: Collective excitations in strongly coupled ultra-relativistic plasmas, J. Phys. A: Math. Theor. 42: 214018, 2009
Golden K I; Kalman G J; Donkó Z; Hartmann P: Collective excitations in a two-dimensional dipole system, J. Phys. A: Math. Theor. 42: 214017, 2009
Donkó Z; Goree J; Hartmann P; Bin Liu: Time-correlation functions and transport coefficients of two-dimensional Yukawa liquids, Phys. Rev. E 79: 026401, 2009
Donkó Z, Goree J, Hartmann P: Viscoelastic response of Yukawa liquids, Physical Review E: 81, 056404/1-9, 2010
Kalman G J, Hartmann P, Golden K I, Filinov A, Donkó Z: Correlational origin of the roton minimum, Europhysics Letters: 90, 55002/1-6, 2010
Donkó Z, Schulze J, Hartmann P, Korolov I, Czarnetzki U, Schüngel E: “The effect of secondary electrons on the separate control of ion energy and flux in dual-frequency capacitively coupled radio frequency discharges, Appl. Phys. Lett.: 97, 081501, 2010
Golden K I, Kalman G J, Hartmann P, Donkó Z: Dynamics of two-dimensional dipole systems, Physical Review E; 82, 036402/1-12, 2010
Ott T; Bonitz M; Hartmann P; Donkó Z: Higher harmonics of the magnetoplasmon in strongly coupled Coulomb and Yukawa systems, Physical Review E 83, 046403, 2011
Hartmann P; Rosenberg M; Kalman G J; Donko Z: Ground-state structures of superparamagnetic two-dimensional dusty plasma crystals, Phys. Rev. E, 84, 016409, 2011
Rosenberg M, Kalman G J, Hartmann P: Instabilities in Yukawa Liquids, Contrib. Plasma Phys. 52, 70, 2012
Budea Á, Derzsi A, Hartmann P, Donkó Z: Shear Viscosity of Liquid-Phase Yukawa Plasmas from Molecular Dynamics Simulations on Graphics Processing Units, Contrib. Plasma Phys. 52, 194, 2012
Golden K I, Kalman G J, Hartmann P, Donkó Z: Collective Modes in Classical Mass-Asymmetric Bilayers, Contrib. Plasma Phys. 52, 130, 2012
Kovács A, Hartmann P, Donkó Z: Dynamic Shear Viscosity in a 2D Yukawa System, Contrib. Plasma Phys. 52, 199, 2012
Kalman G J, Kyrkos S, Golden K I, Hartmann P, Donkó Z: The Roton Minimum: Is it a General Feature of Strongly Correlated Liquids?, Contrib. Plasma Phys. 52, 219, 2012
Kalman G J, Donkó Z, Hartmann P, Golden K I, Kyrkos S: Collective Modes in Strongly Coupled Binary Liquids, Contrib. Plasma Phys. 52, 234, 2012
Mohácsi I; Hartmann P; Donkó Z: Experimental investigation of the collective dynamics in a single layer dusty plasma crystal, pp. 159-160 in: Book of Contributed Papers of the 17th Symposium on Application of Plasma Processes, Liptovsky Jan, Slovakia, Jan 17-22,, 2009
Donko Z; Kalman G J; Hartmann P; Kyrkos S; Rosenberg M: Studies of binary bilayers in complex plasmas, pp. P-6 in: Book of Abstracts of the 12th Workshop on the Physics of Dusty Plasmas, Boulder, Colorado, USA, May 17-20, 2009
Kyrkos S; Donko Z; Hartmann P; Kalman G J: Collective excitations in 3D Yukawa plasmas, pp. P-14 in: Book of Abstracts of the 12th Workshop on the Physics of Dusty Plasmas, Boulder, Colorado, USA, May 17-20, 2009
Hartmann P; Donko Z; Kalman G J: On the melting of 2D Yukawa systems, pp. P-4 in: Book of Abstracts of the 2nd Workshop on Diagnostics and Simulation of Dusty Plasmas, Kiel, Germany, Sep 2-4, 2009
Kovacs A; Hartmann P; Donko Z; Groma I; Györgyi G: Crystallization dynamics of a 2D Yukawa system, pp. P-8 in: Book of Abstracts of the 2nd Workshop on Diagnostics and Simulation of Dusty Plasmas, Kiel, Germany, Sep 2-4, 2009
Donko Z; Kalman G J; Hartmann P; Kyrkos S; Rosenberg M: Binary bilayers in complex plasmas, pp. 109-110 in: Book of Abstracts of the XIII International Conference on Physics of Non-Ideal Plasmas, Chernogolovka, Russia, Sep 13-18, 2009




 

Events of the project

  
2013-01-22 14:32:07
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: SZFI - Lézerfizikai Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont), Új kutatóhely: SZFI - Komplex Folyadékok Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont).



Back »