修正屏蔽库伦势下二维磁化尘埃等离子体波谱特性的研究

Dusty plasmas in laboratory normally are composed of electrons, ions, charged dust particles and neutral gas. It is also known as the strongly coupled system because of the massive electric charges ranging from 10^3e to 10^5e on each single dust particle. In this project, we aim to study the wave spectrum of two-dimensional magnetized dusty plasma by employing Langevin dynamics simulation and quasilocalized charge approximation (QLCA) theory. In specific, the proposal includes three works: (1) study the modified screened Coulomb potential of charged dust particles influenced by the magnetization of background plasmas by means of linear magnetohydrodynamics theory, and then simulate the wave spectrum of the system based on the modified potential, (2) develope the QLCA theory based on the modified potential and numerically calculate the dispersion relation of the system, (3) optimize the Langevin simulation code with OpenMP scheme in order to facilitate the simulations in large spatial and temporal scales. Hopefully, this work is useful to understand the waves of two-dimensional magnetized dusty plasmas.

尘埃等离子体通常由电子、离子、带电尘埃颗粒以及中性气体组成。实验室条件下，单个带电尘埃颗粒大约携带10^3至10^5数量级的单位电量，因此尘埃等离子体又称为强耦合系统。本项目利用郎之万动力学模拟和准局域电荷近似理论对二维磁化尘埃等离子体的波谱特性进行研究，具体内容包括：(1)利用线性磁流体理论推导磁化背景等离子体下带电尘埃颗粒间的相互作用势，基于修正屏蔽库伦势改进模拟程序并研究二维磁化尘埃等离子体的波谱性质，(2) 基于修正屏蔽库伦势发展局域电荷近似理论，并数值计算二维磁化尘埃等离子体的色散关系，与上述模拟结果进行对比，（3）利用OpenMP优化郎之万动力学模拟程序，使之能够模拟大时空尺度物理问题。本项目研究有望加深对磁场环境下二维尘埃等离子体波动行为的理解。

尘埃等离子体通常由电子、离子、带电尘埃颗粒以及中性气体组成。实验室条件下，单个带电尘埃颗粒大约携带10^3至10^5数量级的单位电量，因此尘埃等离子体又称为强耦合系统。该系统在外加磁场调制下可以呈现出丰富的物理行为。本项目利用郎之万动力学模拟方法研究二维磁化尘埃等离子体的动力学特性、结构特性和波谱特性，具体研究成果包括：(1)当尘埃粒子掺杂铁磁性物质形成超顺磁尘埃粒子时，这些超顺磁尘埃粒子之间除了Yukawa势相互作用外，还存在磁极-磁极相互作用。研究表明，当夹角大于磁极-磁极相互作用为吸引力的阈值时，二维尘埃液体系统是各向异性扩散，而且各向异性扩散为正常扩散。各向异性程度取决于磁极间相互作用强度和磁偶极矩的倾角，结论与现有的胶体实验相符；（2）研究了电荷不对称情况下两体尘埃等离子体系统在液态下的动力学特性，研究发现不同的时间尺度下系统中存在两种不同的扩散机制，系统组成成分和系统的有效耦合强度决定了上述动力学行为；（3）在二次方约束势井下，超顺磁化粒子可以呈现出不同的自组织稳态结构，它取决于约束强度、系统耦合强度、磁矩间相互作用以及粒子组成。（4）分析了不同磁场强度下二维尘埃等离子体系统的波谱特性，其中，我们考虑了背景磁化离子的影响。结果显示，无论在低耦合强度下还是高耦合强度下，背景磁化离子对系统的波谱影响都很小。