近日，苏州大学星空网页版冯岩教授团队在尘埃等离子体物理研究中取得突破，首次发现二维尘埃等离子体系统在周期性基板和回转力的共同作用下呈现出一种新型相态变化，即在回转频率逐步降低的过程中尘埃等离子体系统液体周期性地呈现大尺度有序的团簇态和空洞态交替出现的现象，且在团簇态和空洞态之间系统回归到无序、各向同性的均一态。进一步地，通过参考系变换和对称性分析，研究团队巧妙地将该研究中尘埃等离子体系统复杂的非平衡自组织过程，理解为具有不同时空周期性结构的整体等效势场对于尘埃等离子体系统的调制效应。这种时空周期性整体等效势场的调制效应，与其自身描述时间周期性特征的“频率”、描述空间周期性特征的“波长”，以及尘埃颗粒间的强耦合性密切相关。基于此理论而预测出团簇态和空洞态对应的回转频率，与模拟结果高度一致。该项研究工作不仅发现了二维尘埃等离子体系统一种新型的集体运动模式，更为深入理解一系列强耦合系统对具有周期性结构势场的响应而产生的集体运动，提供了全新视角和重要思路。相关研究成果以“Cyclic phase transition of substrate-modulated two-dimensional dusty plasma driven by gyroscopic forces”为题发表在《Physical Review Research》上。
强相互作用颗粒系统在基板调制下及外力驱动下的集体运动已有相当广泛的研究。系统颗粒间的相互作用、基板的调制和外加驱动力三者的耦合、匹配、竞争等，使得众多强相互作用系统呈现出脱钉相变、弹性塑性流相变、方向锁定、超光滑现象、夏皮洛台阶等一系列丰富的动力学相态及转变。然而，以往的相关研究侧重于传统的“颗粒”视角，这虽然自然且精确，但却忽略了将强相互作用颗粒系统作为整体来看待。在强相互作用颗粒系统中，由于颗粒间的强相互作用使得每个颗粒的运动不再局域化，而会影响其它颗粒的运动，并且又受到其它颗粒的影响，因此将其作为整体看待是有理论基础的。
尘埃等离子体，也称复杂等离子体，指由自由电子、离子、中性气体原子和带电尘埃颗粒组成的复杂系统。地面实验条件下，大量带电尘埃颗粒可自组织形成强耦合二维单层系统，表现出类似固体和液体的典型性质。由于尘埃颗粒运动绝佳的时空尺度，通过顶视高速相机可精确记录尘埃颗粒的运动轨迹，并在随后的实验分析中有效追踪，由此可实现单颗粒动理学层面的精确诊断。基于此，利用尘埃等离子体系统，既可将其视为整体研究强耦合科学问题，又可从单“原子”动理学层面研究系统一系列基础物理过程。
本文通过计算机模拟，系统地研究了周期性基板调制和回转力驱动共同作用下，二维尘埃等离子体液体的集体运动模式。首先，当无外加回转力或回转频率相对于尘埃等离子体频率极高时，颗粒数密度与基板势场二者的空间结构完全相同，即颗粒合理地分布在势能最低处。然而，如果逐步降低回转频率且其它参数不变时，颗粒数密度的空间结构不再与基板势场的空间结构吻合，如图1所示。甚至某些参数下，原本施加基板的势能最低处竟然排斥颗粒，呈现出完全违反常规认知的颗粒分布。
图1 不同参数下颗粒的排布结构
研究团队创造性地通过参考系变换和对称性分析，将基板调制下尘埃颗粒受到回转力驱动发生一系列复杂的自组织过程，换在回转力的坐标系下分析，将其理解为具有时空周期性结构的整体等效势场对于尘埃等离子体系统的调制效应。那么从这个视角来看，之所以出现颗粒数密度空间结构的改变，是源自真正调制尘埃颗粒的整体等效势场结构，是由调制基板和回转力驱动二者共同作用的结果，随着回转频率的变化自然会发生相应的改变。基于这一视角，研究团队绘制了不同回转频率下，整体等效势场的真正结构，如图2所示，一目了然，颗粒数密度与整体等效势场完美匹配。再基于对表征势场空间周期性的“波长”和表征时间周期性的“频率”的相关计算，考虑到二维系统所具备的六角对称性，直接给出了团簇态和空洞态出现时系统参数对应的解析式，不仅与模拟结果高度一致，还清楚地解释了尘埃颗粒看似反常的运动和排布的真正原因。
图2：不同回转频率下，整体等效势场结构与颗粒排布对照
苏州大学星空网页版徐傲博士是该论文的第一作者，冯岩教授是该论文的通讯作者。该研究获得国家自然科学基金委的资助，同时得到苏州大学星空网页版的支持。
论文链接: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevResearch.7.013186
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.013186
