外加势场调制尘埃等离子体动力学行为的研究

Dynamics of two-dimensional dusty plasma solid and liquid under various external fields are proposed to be studied using molecular dynamical simulations. The various external fields will be one-dimensional and two-dimensional periodic substrates, as well as extremely high perpendicular magnetic field. These external fields would significantly modify the static structure and dynamic behavior of dusty plasmas. The proposed studies include the transports and wave spectra in dusty plasma liquids under these fields, modified static lattice structures and wave propagation in these new lattice structures in dusty plasma solids, as well as phase transition and other interesting topics. All dynamical diagnostics and data analysis are based on particle positions and velocities, obtained from the molecular dynamical simulations. Using simulations to study the manipulation of dusty plasma dynamical behavior using these external field, is mainly to provide enough theoretical support for the next step experimental design of dusty plasma manipulation using external fields.

本项目将利用分子动力学模拟，来研究不同外加势场下，固态和液态二维尘埃等离子体的动力学行为。计划研究的不同外加势场包括一维和二维周期性基板，以及极强的垂直磁场。这些外加势场将极大地改变尘埃等离子体静态结构和动力学行为。规划研究的课题主要包括外加势场影响下液态尘埃等离子体的输运、波动力学等，外加势场对固态尘埃等离子体的晶格布局的改变和新晶格下波动传输的新现象，还有相变以及其他有意义的研究课题。本项目所有的数据分析以及研究手段均基于分子动力学模拟所得的颗粒运动的位置和速度。模拟研究这些外加势场对尘埃等离子体动力学的调制，为下一步在即将实验中利用外加势场实现尘埃等离子体的可控调制提供理论支撑。

本项目利用分子动力学数值模拟，对不同外加势场下二维尘埃等离子体多种动力学行为进行了系统的研究。在外加势场为零时，通过对模拟出不同条件下液态尘埃等离子体压强的唯像拟合，我们获得了系统内部压强与耦合参数和屏蔽参数的解析表达式，即液态二维尘埃等离子体普适的状态方程。基于此状态方程，我们对液态尘埃等离子体的性质开展了一系列深入的研究，包括推导出了系统的等温、等压、等容等热力学过程；推导出了系统体弹性模量及纵波声速的解析式；通过对系统内能的唯像拟合获得了等容热容的解析表达式；推导出了强耦合二维Yukawa系统绝热过程满足的关系式及其绝热声速；以及液态二维尘埃等离子体内能与压强的关系。在外加极强垂直磁场下，我们模拟结果显示，二维液态尘埃等离子体的统计分布从典型的高斯分布逐步向Levy统计分布转变；正常扩散向超扩散行为转变；不同磁场下剪切黏度的变化趋势在不同温度下有差异。我们系统地研究了一维周期势场对二维尘埃等离子体声子谱的调制行为；还发现了不同深度的一维周期势场下二维尘埃等离子体的结构相变，以及由此势场所导致的中间亚扩散行为等。以上的研究成果在尘埃等离子体动力学行为的定量描述，不同外加势场对其动力学行为的调制等方面取得了重要的意义，尤其尘埃等离子体的基板动力学，正是由我们这个项目开创的一个全新的研究分支。