Dusty plasma: a laboratory for classical many-particle physics  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
103150
Type NN
Principal investigator Hartmann, Péter
Title in Hungarian Poros plazma: a klasszikus sokrészecske-fizika laboratóriuma
Title in English Dusty plasma: a laboratory for classical many-particle physics
Keywords in Hungarian poros plazma, kollektív jelenségek, fázisátalakulás, transzport folyamatok, termodinamika
Keywords in English dusty plasma, collective phenomena, phase transition, transport phenomena, thermodynamics
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Plasma physics
Panel Physics
Department or equivalent Complex Fluids Department (Wigner Research Centre for Physics of the Hungarian Academy of Sciences)
Participants Derzsi, Aranka
Donkó, Zoltán
Korolov, Ihor
Kovács, Anikó Zsuzsa
Starting date 2012-06-01
Closing date 2015-11-30
Funding (in million HUF) 18.375
FTE (full time equivalent) 4.73
state closed project
Summary in Hungarian
Jelen pályázat tárgya a klasszikus sokrészecske rendszerekben megfigyelhető kollektív, tipikusan erősen korrelált jelenségek részecske szintü vizsgálata poros plazma kísérletekkel, numerikus szimulációval és elméleti módszerekkel. Fel kívánjuk tárni a mikroszkópikus részleteit olyan folyamatoknak, mint a két-dimenziós szilárd-folyadék fázisátalakulás, reológia, lassú plasztikus deformáció hatására fellépő szerkezeti változások, néhány speciális hidrodinamikai áramlás, kétkomponensű és három-dimenziós rendszerekben fellépő kollektív gerjesztések és instabilitások. Meg kívánunk tervezi, és kísérleti szinten, valósítani egy hordozható, egyszerű üzemeltetésű poros plazma eszközt, amely utat nyithat további alkalmazások, például a Terahertz technológiában irányába.
Olyan kérdésekre keressük a választ, mint: Egyensúlyi fázis-e a 2D olvadás KTHNY elmélete által jósolt hexatikus fázis? Milyen mikroszkópikus vagy korrelációs jelenségek felelősek az anyagok erősen nemlinerális reológiájáért? Milyen szerkezet és effektív kölcsönhatás jellemzi a lassan, plasztikusan deformált kristályos anyagokban keltett diszlokációk sokaságát? Milyen a kétkomponensű rendszerek fázisdiagramja és hullámmódus szerkezete? Hogyan alakul át a lamináris áramlás turbulenssé (az atomos folyadékokhoz képest) kevés részecskés áramlások esetén?
Munkánk során támaszkodunk az ezen a területen szerzett évtizedes tapasztalatainkra, valamint tervezzük ezen a területen újnak számító módszerek (pl. alacsony nyomású, kis porszemcse méretű (< 2 μm) poros plazma kísérlet, konstans részecskeszám-nyomás-hőmérséklet (NPT) molakuladinamikai szimuláció, Yukawa rendszerek kvázilokalizát töltés approximáció (QLCA) elmélet, stb.) alklamazását.
Saját és a külföldi partnerünk (CASPER, Baylor University, Waco, Texas) egymást nagyban kiegészítő kísérleti és szimulációs erőforrásait összehangolva, intenzív együttműködés keretében tervezzük végezni a kutatásainkat, amelynek része lenne PhD hallgatók cseréje is.
Summary
This grant proposal addresses the particle-level investigation of collective, typically highly correlated phenomena in classical many-particle systems by means of dusty plasma experiments, numerical simulations and theoretical methods. We intend to explore the microscopic details of such processes as the two-dimensional solid-liquid phase transitions, rheology, structural changes occurring during slow plastic deformation, some special hydrodynamic flow scenario, collective excitations and instabilities in two component and three-dimensional systems. We plan to design and realize (on the prototype level), a “handheld”, easy to operate dusty plasma device, which could pave the way towards further applications, e.g. in Terahertz technology.
We seek to answer such questions as: Is the hexatic phase predicted by the KTHNY theory of 2D melting an equilibrium phase? What kind of microscopic phenomena is responsible for the highly nonlinear rheology of simple matter? What is the structure and the effective interaction of dislocations in crystalline solids under a slow plastic deformation (creep)? What is the phase diagram and collective excitation mode structure of two-component systems? How does a laminal flow transform into turbulent one in a small particle flow (compared to the atomic fluids)?
In this work we rely our experience gained in the past decade and we plan to apply novel methods to this field (e.g. low-pressure, small dust particle size (<2 μm) dusty plasma experiments, constant number of particles-pressure-temperature (NPT) molecular dynamics simulation, quasi-localized charge approximation (QLCA) theory of Yukawa systems, etc).
We plan to carry out our research in intensive co-operation with our foreign partner (CASPER, Baylor University, Waco, Texas), as both our experimental and numerical resources largely complement each other. The exchange of graduate students is planned.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Jelen pályázat tárgya a klasszikus sokrészecske rendszerekben megfigyelhető kollektív, tipikusan erősen korrelált jelenségek részecske szintü vizsgálata volt poros plazma kísérletekkel, numerikus szimulációval és elméleti módszerekkel. Kidolgoztunk egy új, fénymező elven működő részecskedetektálási módszert, annak méréstechnikáját és demonstráltuk a hatékonyságát saját poros plazma rendszerünkön. GPU-ra optimalizált mérésvezérlő programot fejlesztettünk a valós idejű képfeldolgozást megoldva. Saját tervezésü forgóelektródás kisülési kamránk segítségével megmértük a 3000 Tesla ekvivalens mágneses indukció esetén a rendszerben keltett longitudinális hullámdiszperziós relációt. Kétdimenziós plazmakristály kísérleteinkben megfigyeltük a lassú deformáció mikroszkopikus mechanizmusát, amely során keletkeztek ellentétes Burgers-vektorú diszlokációpárok, a diszlokációk csúszó mozgást végeznek majd doménfalakon annihilálódnak. Többfrekvenciás, illetve RF+DC kisülések tápfeszültség karakterisztikáit optimalizáltuk porszemcsék irányított transzportjához. Kisülésben lebegő porszemcséket plazmadiagnosztikai célra használtunk és megmutattuk, hogy az általunk kidolgozott kísérleti módszer jóval érzékenyebb és pontosabb minden korábbi módszernél. Numerikus szimulációkkal feltártuk a szuper-paramágneses és kétkomponensű rendszere hullámdiszperziós tulajdonságait, megmutattuk, hogy a KTHNY elmélet által jósolt hexatikus fázis metastabil.
Results in English
In this project we target the experimental dusty plasma, numerical and theoretical investigation of the microscopic details of collective, typically strongly correlated phenomena occurring in interacting many-particle systems. We have developed a new three dimensional particle detection method based on light-field photographic principles. We have developed a GPU based experiment control program able to do fast real time image processing of the raw camera data. Using our own designed rotating electrode experimental setup we have measured the longitudinal wave dispersion properties of dusty plasma liquids in 3000 Tesla equivalent magnetic field. We have observed the creation and dissociation of dislocation pairs, glide motion and annihilation of individual dislocations as microscopic processes underlying the slow plastic deformation of 2D plasma crystals under shear. We have worked out the details of dust transport in multifrequency and RF+DC gas discharges by tuning the voltage waveform of the powered electrode. Using dust particles as discharge probes in RF gas discharges in our rotating electrode setup we have measured the horizontal electric field in the discharge with unprecedented accuracy. By numerical simulations we have uncovered the wave dispersion properties of super-paramagnetic dusty plasmas and two-component liquids and solids. We have shown that the hexatic phase, predicted by the popular KTHNY theory of two dimensional melting, is of metastable nature.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=103150
Decision
Yes





 

List of publications

 
Hartmann P, Kovács A Zs, Reyes J C, Matthews L S, Hyde T W: Dust as probe for horizontal field distribution in low pressure gas discharges, Plasma Sources Sci. Technol. 23, 045008, 2014
Hartmann P, Kovács A Zs, Douglass A M, Reyes J C, Matthews L S, Hyde T W: Slow Plastic Creep of 2D Dusty Plasma Solids, Phys. Rev. Lett. 113, 025002, 2014
Iwashita S, Schüngel E, Schulze J, Hartmann P, Donkó Z, Uchida G, Koga K, Shiratani M, Czarnetzki U: Dust hour glass in a capacitive RF discharge, IEEE Trans. Plasma Science 42, 2672, 2014
Kalman G J, Donkó Z, Hartmann P, Golden K I: Second plasmon and collective modes in binary Coulomb systems, Europhysics Letters 107, 35001, 2014
Schüngel E, Donkó Z, Hartmann P, Derzsi A, Korolov I, Schulze J: Customized ion fux-energy distribution functions in capacitively coupled plasmas by voltage waveform tailoring, Plasma Sources Sci. Technol. 24, 045013, 2015
Kovács A, Hartmann P, Donkó Z: Periodically sheared 2D Yukawa systems, Physics of Plasmas 22, 103705, 2015
Bastykova N Kh, Kovács A Zs, Korolov I, Kodanova S K, Ramazanov T S, Hartmann P, Donkó Z: Controlled Levitation of Dust Particles in RF+DC Discharges, Contrib. Plasma Phys. 55, 671-676, 2015
Silvestri L, Kalman GJ, Donkó Z, Hartmann P, Kählert H: Fano-like anti-resonances in strongly coupled binary Coulomb systems, Europhysics Letters 109, 15003, 2015
Goree J, Donkó Z, Hartmann P: Cutoff wave number for shear waves and Maxwell relaxation time in Yukawa liquids, Phys. Rev. E, 85, 066401/1-7, 2012
Donkó Z, Hartmann P, Shukla P K: Consequences of an attractive force on collective modes and dust structures in a strongly coupled dusty plasma, Phys. Lett. A, 376, 3199, 2012
Hartmann P, Donkó I, Donkó Z: Single exposure three-dimensional imaging of dusty plasma clusters, Rev. Sci. Instrum., 84, 023501/1-5, 2013
Kalman G J, Hartmann P, Donkó Z, Golden K I, Kyrkos S: Collective modes in two-dimensional binary Yukawa systems, Phys. Rev. E, 87, 043103/1-15, 2013
Goree J, Donkó Z, Hartmann P: Cutoff wave number for shear waves and Maxwell relaxation time in Yukawa liquids, Phys. Rev. E, 85, 066401/1-7, 2012
Donkó Z, Hartmann P, Shukla P K: Consequences of an attractive force on collective modes and dust structures in a strongly coupled dusty plasma, Phys. Lett. A, 376, 3199, 2012
Hartmann P, Donkó I, Donkó Z: Single exposure three-dimensional imaging of dusty plasma clusters, Rev. Sci. Instrum., 84, 023501/1-5, 2013
Kalman G J, Hartmann P, Donkó Z, Golden K I, Kyrkos S: Collective modes in two-dimensional binary Yukawa systems, Phys. Rev. E, 87, 043103/1-15, 2013
Iwashita S, Schüngel E, Schulze J, Hartmann P, Donkó Z, Uchida G, Koga K, Shiratani M, Czarnetzki U: Transport control of dust particles via the electrical asymmetry effect: experiment, simulation and modelling, J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 245202, 2013
Hartmann P, Donkó Z, Ott T, Kählert H, Bonitz M: Magnetoplasmons in Rotating Dusty Plasmas, Phys. Rev. Lett. 111, 155002, 2013
Rosenberg M, Kalman G J, Hartmann P, Goree J: Effect of strong coupling on the dust acoustic instability, Phys. Rev. E, 89, 013103, 2014
Derzsi A, Kovács A, Donkó Z, Hartmann P: On the metastability of the hexatic phase during the melting of two-dimensional charged particle solids, Physics of Plasmas 21, 023706, 2014
Hartmann P, Donkó Z, Rosenberg M, Kalman G J: Waves in two-dimensional superparamagnetic dusty plasma liquids, Phys. Rev. E, 89, 043102, 2014
Hartmann P, Donkó I, Donkó Z: Single exposure three-dimensional imaging of dusty plasma clusters, Rev. Sci. Instrum., 84, 023501/1-5, 2013
Kalman G J, Hartmann P, Donkó Z, Golden K I, Kyrkos S: Collective modes in two-dimensional binary Yukawa systems, Phys. Rev. E, 87, 043103/1-15, 2013
Iwashita S, Schüngel E, Schulze J, Hartmann P, Donkó Z, Uchida G, Koga K, Shiratani M, Czarnetzki U: Transport control of dust particles via the electrical asymmetry effect: experiment, simulation and modelling, J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 245202, 2013
Hartmann P, Donkó Z, Ott T, Kählert H, Bonitz M: Magnetoplasmons in Rotating Dusty Plasmas, Phys. Rev. Lett. 111, 155002, 2013
Rosenberg M, Kalman G J, Hartmann P, Goree J: Effect of strong coupling on the dust acoustic instability, Phys. Rev. E, 89, 013103, 2014
Derzsi A, Kovács A, Donkó Z, Hartmann P: On the metastability of the hexatic phase during the melting of two-dimensional charged particle solids, Physics of Plasmas 21, 023706, 2014
Hartmann P, Donkó Z, Rosenberg M, Kalman G J: Waves in two-dimensional superparamagnetic dusty plasma liquids, Phys. Rev. E, 89, 043102, 2014





 

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 »