尘埃等离子体与统计物理和冲击波物理的交叉研究

Dusty plasma is a mixture of electrons, ions, dust particles, and neutral gas atoms. In the laboratory, dust particles typically refer to micron-sized polymer spheres, whose charge-to-mass ratio is extremely low, so that they are strongly coupled with each other. Thus, these dust particles can easily form a single layer two-dimensional dusty plasma solid lattice, which can be manipulated to a liquid experimentally. Because of its suitable spatial and temporal scales, the motion of individual dust particles can be directly recorded using video imaging of high-speed cameras, which can then be studied using the single particle tracking technique. This powerful diagnostic based on the kinetic level of single particles makes dusty plasma an excellent experimental model system to study various fundamental physics processes and different interdisciplinary topics. This project proposes to study multiple topics of statistical physics and shock wave physics using the dusty plasmas. Summarized as blow: (1) Test the fluctuation theorem of statistical physics and check its convergence time in dusty plasma experiments, using various methods, such as the non-equilibrium Brownian motion of one dust particle and the heat flux of a collection of dozens of dust particles. (2) Investigate the statistics of dust particles' motion and energy in dusty plasmas. (3) Study various shocks, generated by either large shear flows, or fast longitudinal compressions, or powerful blast waves, as well as subsequent physical processes in dusty plasmas.

尘埃等离子体是指由电子、离子、尘埃颗粒和中性气体分子组成的混合体系。在实验室条件下，尘埃颗粒一般是微米尺度的聚合物小球，其荷质比极低，它们之间存在着强耦合效应，能形成单层二维尘埃等离子体固体晶格，在实验中可以调制成液态。由于其极佳的空间、时间尺度，尘埃颗粒运动可以通过高速相机直接视频记录，然后再通过颗粒追踪研究单颗粒运动行为。由于具备单颗粒动力学尺度的诊断手段，尘埃等离子体被广泛当作实验模型体系，研究众多物理学过程和交叉课题。本项目拟利用尘埃等离子体，研究以下统计物理和冲击波物理的课题。这包括：（1）在尘埃等离子体实验中，通过单颗粒非平衡态布朗运动及多颗粒热流等不同的实验方法，验证统计物理的涨落定理的准确性，以及它适用的时空范围。（2）对尘埃颗粒的统计分布开展研究。（3）对在尘埃等离子体中通过超强剪切、超快纵向压缩、爆炸波等多种外加条件下激发出的冲击波及相关物理学过程开展研究。

本项目利用尘埃等离子体实验和相应的计算机模拟手段，在系统颗粒运动的统计分布、非平衡统计物理的应用、以及在压缩冲击波微观物理机制等方面的交叉研究，取得了一系列原创性成果。在与统计物理的交叉研究中，发现剪切致熔尘埃等离子体的黏度能通过此系统应力张量的涨落来有效量化，基于尘埃等离子体剪切致熔实验揭示了黏弹性介质中涨落定理收敛行为的物理根源，基于系统黏度结果的分析，解决了液体黏度在单颗粒层面的起源问题等。在与冲击波物理的交叉研究中，推导出尘埃等离子体压缩冲击后系统多个热力学参量的表达式，发现了压缩冲击后系统温度与冲击锋面速度间的普适规律，给出了冲击波锋面处色散击波产生的物理机制，推导出可用于定量化研究尘埃等离子体冲击致熔的温度和压强之间的雨贡纽曲线，通过对无支撑冲击波演化过程的研究发现了稀疏波的产生及波前的传播规律，观测到尘埃等离子体固体中激发冲击波传播后的固液相分离现象，定量分析了压缩冲击下尘埃等离子体的弹塑性转变，研究了尘埃等离子体冲击波波前快颗粒问题等。这些研究成果不仅有效拓展了尘埃等离子体在基础物理研究中的应用范围，还为统计物理和冲击波物理中的多个尚未解决的重要问题提供了明确的物理解释。