Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках проекта проведены экспериментальные исследования динамики и структур квазидвумерных плземенно-пылевых систем, сформированных макрочастицами с различными свойствми. Наблюдался переход монослоя из кристаллического состояния в жидкостное, а также активное броуновское движение сильнокоррелированных заряженных частиц при воздействии лазерного излучения различной мощности. Движение частиц вызывалось фотофорезом, то есть поглощением лазерного излучения поверхностью частицы. В работе было показано, что фотофорез может приводить к эффективному автономному движению сферических частиц. На коротких временах наблюдалось направленное движение частиц; при более длинных временах направление движения частиц было случайным, и движение частиц приобретало диффузный характер. Было исследовано влияние формы и материала частиц на структурные и динамические характеристики квазидвумерной системы. Эксперименты проводились с плазменно-пылевыми структурами, сформированными сферическими полимерными частицами; сферическими частицами с полным металлическим покрытием и янус-частицами с частичным металлическим покрытием их поверхности. На основе экспериментально полученных координат макрочастиц для каждого момента времени были восстановлены траектории частиц, построены и проанализированы парные корреляционные функции, общие зависимости среднего квадратичного смещения частиц от времени, динамическая энтропия для каждой частицы, а также зависимость линейного смещения вдоль направления движения от мощности воздействующего лазерного излучения. Экспериментально обнаружено, что для структур, состоящих из активных частиц, способных преобразовывать энергию лазерного движения в механическое движение, наблюдались кинетические фазовые переходы при изменении мощности воздействующего лазерного излучения. На основе анализа солитонов в плазменно-пылевых структурах было обнаружено, что с ростом амплитуды солитонов растет отклонение функции распределения по скоростям для ионов от равновесного распределения Максвелла. Отклонение функции распределения по скоростям для заряженных частиц плазмы в присутствии ансамбля солитонов свидетельствует о том, что рассматриваемая система находится вдали от равновесия. Такую плазму можно считать активной средой, ее существование возможно только в термодинамически открытых системах. При выполнении экспериментов по исследованию броуновского движения частиц на поверхности сверхтекучего гелия в рамках данной задачи впервые были зарегистрированы и изучены поступательное и вращательное движения одиночной частицы (размером ~ 0.1 мм), образованной стеклянными микросферами. Проанализированы среднеквадратичное и линейное смещения частиц при броуновском движении на поверхности жидкости при температуре 1.45 К. На малых временах t< 0.03 секунд наблюдается аномальная диффузия – направленно-хаотичное движение одиночного кластера, тогда как для больших времён наблюдается режим обычного диффузионного движения. Показано, что динамика одиночных частиц на слабо возмущённой поверхности сверхтекучего гелия определяется квантовыми вихрями, тогда как динамика крупных двумерных структур, содержащих сотни и более кластеров, - классическими волнами и вихрями, а также – электрическими полями. Представлен анализ взаимодействия между пылевыми частицами на основе решения обратной задачи Ланжевена. Были получены зависимости эффективных сил взаимодействия от межчастичного расстояния для различной интенсивности лазерного воздействия на пылевую подсистему. Обнаружено, что при всех значениях мощности лазерного излучения пылевые частицы на малых расстояниях друг от друга взаимно отталкиваются, а с ростом межчастичного расстояния возникает эффективное взаимное притяжение. Было также получено, что эффективный коэффициент трения частиц при фиксированных параметрах разряда падает с ростом мощности лазерного воздействия на пылевую подсистему. Это эффект может быть обусловлен возникновением фотофоретической силы, вызванной неравномерным нагревом поверхности частиц, которая не учитывалась при экспериментальном определении параметров пылевой подсистемы. С применением метода молекулярной динамики смоделирован процесс воздействия лазерного излучения на квазидвумерную систему пылевых макрочастиц с поглощающим металлическим покрытием. Проведен анализ динамики пылевых макрочастиц: траекторий, их среднеквадратичного смещения, среднего линейного смещения вдоль вектора начальных скоростей при разных значениях параметра неидеальности и мощности лазерного излучения. Показано, что, изменяя мощность излучения, можно влиять на процессы самодиффузии и величину хаотической скорости движения частиц. Исследование проведено для разных начальных значений параметра неидеальности невозмущенной пылевой подсистемы.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Экспериментально исследована степень локализации активных броуновских полимерных частиц с медным покрытием со средним диаметром 5 мкм, формирующих квазиодномерную (нитевидную) структуру в разряде постоянного тока при воздействии лазерного излучения с плотностью мощности до ~1.3 Вт/см^2. Показано, что степень локализации частиц изменялась по мере увеличения плотности мощности лазерного излучения: при значениях, меньших 0,2 Вт/см^2, частицы локализованы в небольшой области по оси сформированной нитевидной структуры. В области значений от 0.2 до 0.5 Вт/см^2 область локализации частиц увеличивалась в радиальном направлении от оси нитевидной структуры. При плотности мощности лазерного излучения большей 0.5 Вт/см^2, порядок в нитевидной структуре нарушался, сама цепочка сжималась, а частицы выходили из нее и двигались вдоль границ страты. Экспериментально исследованы динамические характеристики активного броуновское движение полимерных частиц с медным покрытием со средним диаметром 5 мкм, формирующих нитевидную структуру в разряде постоянного тока при воздействии лазерного излучения с плотностью мощности до 1.3 Вт/см^2. При значениях плотности мощности лазерного излучения 0.3 Вт/см^2, 0.8 Вт/см^2 и 1.3 Вт/см^2 в нитевидной структуре наблюдались кинетические фазовые переходы. Также изменялось поведение и степень активности частиц: с ростом плотности мощности лазерного излучения до значения 0.3 Вт/см^2 активность частиц увеличивалась – росло время движения макрочастиц в режиме супердиффузии с 0.06 до 0.11 с, а при дальнейшем изменении воздействия наблюдалось изменение наклона зависимости среднеквадратичного смещения, частицы при увеличении области движения переходили в режим нормальной диффузии. Показано, что характер движения изменялся от ограниченного в ловушке при сильной корреляции с соседними частицами и до круговой замкнутой траектории слабой корреляции с другими частицами. Экспериментально исследован процесс кинетического разогрева и структурного фазового перехода в объемной анизотропной кристаллической плазменно-пылевой системе, сформированной цепочечными структурами, в стратах тлеющего разряда постоянного тока. На основе реализации методики восстановления трех пространственных координат макрочастиц при лазерной подсветке по данным стереоскопической съемки была исследована эволюция образованной ими структуры. Анализ полученных таким образом корреляционных функций позволил выделить ряд особенностей исследуемой трехмерной системы: существование двух разных порядков внутри структуры, которые отражают два главных максимума на корреляционных функциях, соответствующие внутрицепочечному упорядочиванию и порядку между цепочками. Характерное расстояние между частицами в цепочке составляло величину порядка 150 мкм, в то время как межцепочечное расстояние 280 мкм. Было отмечено, что в процессе плавления плазменно-пылевого кристалла сначала разрушался порядок между вертикальными пылевыми цепочками, и они могли перемещаться относительно друг друга, образуя жидкоподобную структуру пылевых нитей. Этой стадии плавления соответствовало уменьшение и размытие второго максимума корреляционной функции при сохранении величины первого. При дальнейшем увеличении тока, наряду с ослаблением упорядоченности в структуре в горизонтальном сечении, начинала разрушаться связь частиц в пылевых цепочках. Этому соответствовало уменьшение первого максимума корреляционной функции. Коэффициент же диффузии плавно растет на протяжении всего процесса. Экспериментально исследованы структурные и динамические характеристики нитевидной системы, сформированной из полимерных янус-частиц со средним диаметром 5 мкм, обладающих анизотропией свойств и материалов покрытия, при воздействии лазерного излучения с плотностью мощности до ~0.5 Вт/см^2. Показано, что при значениях плотности мощности лазерного излучения 0.1 Вт/см^2, 0.2 Вт/см^2 и 0.5 Вт/см^2 для нитевидной системы, состоящей из янус-частиц, наблюдались кинетические и структурные «кристалл-жидкость» фазовые переходы. Также различалось поведение и степень активности частиц: с ростом плотности мощности воздействующего лазерного излучения до 0.1 Вт/см^2, время движения в режиме супердиффузии для большинства частиц не изменялось, при дальнейшем увеличении до 0.2 Вт/см^2 наблюдалось уменьшение времени движения в режиме супердиффузии до 0.05 секунд и переход некоторых частиц в режим нормальной диффузии на временах от 0.05 до 1 сек, а свыше 0.2 Вт/см^2 - разделение частиц на два типа, для первых движение в режиме супердиффузии растет до значений 0.1 сек и выше, для других же наблюдался режим нормальной диффузии, начиная с малых времен. В то же время по мере изменения воздействующего лазерного излучения активность частиц изменялась нелинейно, а характер движения изменялся от сильнокоррелирующего с соседними частицами и ограниченного в ловушке при плотности мощности менее 0.1 Вт/см^2 до слабой корреляции с другими частицами и круговой замкнутой траекторией при 0.5 Вт/см^2, или вихревого и диффузионного вдоль оси структуры при 0.1-0.2 Вт/см^2. Такое наблюдаемое многообразие эффектов стало возможным благодаря различной степени покрытия поверхности металлом у янус-частиц, в результате чего они с разной эффективностью преобразовывали энергию лазерного излучения в энергию собственного движения. Экспериментально исследовано броуновское движение частиц сверхпроводящей керамики со средним размером 40 мкм и зарядами до 106 е, левитирующих в статической магнитной ловушке в сверхтекучем гелии при температурах 1.7-1.9 К (криогенный коллоид), при воздействии лазерного излучения с плотностью мощности до ~2 Вт/см2. Показано, что на коротких временах, до 0.7 сек, среднеквадратичное смещение одиночных частиц соответствует режиму аномальной диффузии, т.е. ~ t^1.5, тогда как на больших временах оно ~ t, как в случае обычной диффузии. Коэффициенты диффузии, полученные из экспериментальных зависимостей среднеквадратичного смещения от времени были равны 6х10^(-8) м2/с и 3.3x10^(-7) м2/с соответственно для плотности лазерного излучения 0.34 и 1.9 Вт/см2. Теоретическая оценка величины коэффициента диффузии, сделанная по формуле Эйнштейна, даёт величину 5x10^(-14) м2/с, что на 7 порядков меньше экспериментально полученных значений. Показано, что в изучаемой открытой системе диссипация энергии, поступающей извне, приводит к организации сверхпроводящих частиц в упорядоченные структуры. В рамках гидродинамического и одночастичного приближения построена теоретическая модель стационарных слабодиссипативных пыле-акустических солитонов. Рассчитаны такие гидродинамические параметры как интегральное тепловыделение солитона, которое описывает производство энтропии в термодинамически открытой системе, а также нагрев буферного газа и поверхности заряженных частиц. Сформулировано и описано новое свойство диссипативных солитонов – эффективная температура. Проведенные исследования важны для анализа энергетического баланса в процессах самоорганизации. Также полученные результаты будут полезны при исследовании процессов эволюции в неравновесных системах.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках гранта экспериментально исследовано взаимодействие между пылевыми частицами, образующими нитевидную систему частиц (цепочку) в приэлектродном слое высокочастотного разряда. С помощью метода, основанного на анализе спектральной плотности колебаний частиц, были определены производные удельных внешних и межчастичных сил. Зарегистрировано значительное нарушении симметрии эффективного взаимодействия между всеми парами частиц (ближайших соседей) в цепочке. При этом отрицательные значения производных сил, действующих со стороны вышерасположенных частиц на соседние нижерасположенные частицы, показывают, что при горизонтальном смещении нижней частицы из ее положения равновесия возникает эффективная сила притяжения, которая стремится вернуть нижнюю частицу в исходное положение равновесия. Определено, что наибольшее нарушение симметрии взаимодействия соответствует наименьшему среднему расстоянию между частицами. В нижней части структуры асимметрия уменьшается в направлении ионного потока. Обнаружено, что наибольшему влиянию так называемого эффекта разрядки (decharging effect), связанного с усилением за счет верхней микрочастицы ионных токов на соседнюю нижерасположенную частицу, подвержена вторая (по направлению приэлектродного ионного потока) частица в цепочке. Выполнено численное моделирование динамки заряженных частиц, образующих нитевидную систему (цепочку) во внешнем электрическом поле, в широком диапазоне параметров, близком к условиям экспериментов в разряде постоянного тока. Модель учитывает основные особенности пылевых частиц в разряде, такие как: активное броуновское движение, асимметрия эффективного межчастичного взаимодействия, флуктуации зарядов частиц. Определена область параметров модели (давление, кинетическая температура частиц), при которых наблюдается скачкообразная смена положений частиц в цепочке. Наиболее интенсивные скачки наблюдаются в центральной части цепочки, что согласуется с экспериментом. Обнаружена зависимость интенсивности скачков от давления, которая обусловлена механизмами, увеличивающими среднюю кинетическую энергию частиц в системе, а именно: подкачкой дополнительной энергии за счет работы несимметричных сил межчастичного взаимодействия; а также за счет работы неэлектрических сил, действующих на броуновскую частицу, движущуюся в неоднородном кильватерном следе выше расположенной частицы.Для различных параметров модели получены временные зависимости среднеквадратичных смещений (MSD) частиц вдоль и поперек цепочки, а также средних линейных смещений (MSD) частиц в направлении их первоначального движения. Показано, что при отсутствии скачков в моделируемой нитевидной структуре MSD частиц в продольном направлении (в отличие от поперечного MSD) не описываются известной формулой Уленбека-Орнштейна-Ванга. Экспериментально изучено броуновское движение коллоидных частиц сверхпроводящей керамики с размерами до 70 мкм и электрическими зарядами до 10^6 е, левитирующих в статической магнитной ловушке в сверхтекучем гелии (криогенный коллоид) при температурах 1.7-2.18 К, при воздействии лазерного излучения с плотностью мощности до ~2 Вт/см^2. Показано, что движение коллоидных частиц можно рассматривать как направленно-хаотичное движение активных броуновских частиц с сильным кулоновским и магнитным взаимодействием. Увеличение плотности мощности лазерного излучения, благодаря локальному тепловыделению на поверхности частиц, ведет к увеличению интенсивности направленно-хаотичного движения частиц (кинетической энергии частиц и коэффициента их диффузии), увеличению числа и длины цепочек частиц. Активное броуновское движение коллоидных частиц в сверхтекучем гелии в условиях эксперимента (при температурах ниже λ-точки) связано с взаимодействием нормальной и сверхтекучей компоненты с поверхностью частицы и с друг другом, с возникновением клубка квантовых вихрей, при нагреве поверхности частиц лазерным излучением. Тем самым, такое броуновское макродвижение имеет квантовый механизм, обусловленный квантовой турбулентностью. Характер макродвижения частиц резко меняется при переходе гелия в нормальное состояние, при этом частицы увлекаются конвекционным потоком нагретого гелия в поле сил тяжести. Таким образом, структуры коллоидных частиц в наших экспериментах, при температурах жидкого гелия ниже λ-точки, являются открытыми диссипативными структурами, т.е. стационарными системами вдали от равновесия, в которых лазерное излучение индуцирует процесс эволюции системы частиц в более упорядоченное состояние, при этом происходит увеличение кинетической энергии коллоидных частиц, увеличение результирующей силы, действующей на частиц, и уменьшение энтропии в коллоидной системе. Отрицательный поток энтропии, необходимый для эволюции коллоидных структур, создается квантовым механизмом уносом энтропии из системы, связанным с переносом тепла нормальной компонентой сверхтекучего гелия, с образованием квантовых вихрей. Проведен теоретический анализ влияния диссипативного пыле-акустического солитона на функцию распределения по скоростям для пылевой фракции в коллоидной плазме. Возмущенная функция распределения в значительной мере отличается от начальной равновесной функции распределения. Проведено сравнение влияния классических и диссипативных пыле-акустических солитонов на функцию распределения фоновой плазмы. В обоих случаях присутствуют локальные максимумы в нуле и в области положительных скоростей. Отличительной чертой диссипативного случая является наличие выраженного максимума в отрицательной области, который соответствует ретроградному движения заряженных частиц в поле солитона при наличии силы вязкости. Экспериментально исследована эрозия макрочастиц в газовых разрядах различного вида: в емкостном высокочастотном разряде и тлеющем разряде постоянного тока. Методом растровой электронной микроскопии наблюдалось изменение структуры поверхности и размера частиц в результате их экспозиции в газоразрядной плазме. У пластиковых макрочастиц возникали крупные неровности на поверхности, также они подвергаются эрозии в большей степени, чем частицы с металлической оболочкой, у которых, в свою очередь, формировалась развитая мелкодисперсная структура поверхности. В ходе эксперимента при неизменных параметрах плазмы тлеющего разряда постоянного тока для левитирующих макрочастиц в страте наблюдалось их смещение в верхнюю часть страты. Это обусловлено тем, что частица в результате эрозии теряла массу, т.е. изменялись ее размер и заряд. В результате изменения баланса электростатических и гравитационных сил, действующих на частицу, это приводило к изменению ее положения в страте. Показано, что газоразрядной плазме поверхность макрочастиц модифицируется в результате одновременного протекания процессов напыления и эрозии. Данные процессы влияют на заряд самих частиц, состав плазмы и распределение полей в ней, в результате чего с течением времени плазменно-пылевые системы образованные макрочастицами могут менять свою структур и динамические свойства.