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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001997-9

Finite 3D dust clouds beyond the crystalline state

  • During the past decade, various physical properties of the Yukawa ball, like structure and energy states, were unraveled using experiments. However, the dynamical features served further attention. Therefore, the main aim of my thesis was to investigate and understand how a finite system-represented by Yukawa clusters-evolves from a solid, crystalline structure to a liquid-like system, how it behaves in this phase and in what manner the reordering back into the solid state can be described. As a method of choice to reach this goal, laser heating has been proven successful. Moreover, the special importance of wakefields for dust clusters confined at low neutral gas pressure was addressed. Melting of finite dust clouds can be induced in two ways, either by altering the properties of the ambient plasma or by laser heating. The latter was shown to be a generic melting scenario, allowing to estimate a critical coupling parameter at the melting point. Moreover, the melting transition of finite 3D dust systems was found to be a two-step process where angular order is lost before the radial order starts to diminish at higher energies. Next, the mode dynamics of finite 3D dust ensembles in the solid and the liquid phase was studied. Crystal and fluid modes revealed the main spectral properties of the system. The normal modes are mainly suited to describe crystalline states. Fluid modes were excited naturally and via laser heating, with excitation frequencies almost independent of the coupling parameter in the solid and the liquid-like regime. Tuning the plasma parameters can be used to vary the particle-particle interaction via the ion focus. Both methods, even though assuming equilibrium situations, allowed to hint at these wakefields. The corresponding peaks in the fluid and normal mode spectra were no eigenmodes, confirming the nonequilibrium character of the ion focusing effect. First steps to extend the normal mode theory to achieve the dynamics of wake-affected nonequilibrium dust clusters were presented. Statistical quantities were obtained evaluating long-run experiments and transport coeffcients for finite dust systems were calculated via the instantaneous normal mode technique. Diffusion was found considerably higher for 3D than for 2D dust clusters. Using the configurational entropy, we have shown that in 2D and 3D disorder increases with increasing size of the system, in agreement with simulations. The temperature dependence of the configurational entropy differs for 2D and 3D dust clouds, with a threshold behavior found for finite 2D ensembles only. Finally, using instantaneous normal modes to reveal the total fraction of unstable modes, the predictive connection of Keyes (Phys Rev E 62, p7905, 2000), between transport and disorder was tested and verified for 2D, but not for 3D clusters. The reason for this has to be left open. Finally, laser-mediated recrystallization processes of finite 3D dust clouds were investigated. First, the temporal evolution of the Coulomb coupling parameter was traced during heating and recrystallization. A cooling rate has been determined from the initial phase of recrystallization. This cooling rate is lower than damping by the neutral gas, in agreement with simulations. We have observed a large fraction of metastable states for the final cluster configurations. Further, we have revealed that the time scale for the correlation buildup in the finite 3D ensemble was on even slower scales than cooling. Thus, different time scales can be attributed to the fast emergence of the shells and to the slower individual ordering within the shells.
  • Im vergangenen Jahrzehnt wurden viele physikalische Eigenschaften des Yukawa-Balles, wie z.B. dessen Struktur und Energiezustände, mittels experimenteller Zugänge entschlüsselt. Das Studium der dynamischen Eigenschaften von Yukawa-Bällen legt das Hauptziel meiner Dissertation fest: Zu untersuchen und zu verstehen wie sich ein finites (endliches) System-repräsentiert durch Yukawa-Cluster-von der festen, kristallinen zur flüssigen Phase entwickelt, wie es sich in dieser Phase verhält und in welcher Weise die Rekristallisation zurück in die feste Phase beschrieben werden kann. Die sog. Laserheizung hat sich hier als Methode der Wahl etabliert, um das Ziel der Dissertation zu erreichen. Darüber hinaus wurde die Sonderrolle des in Ionenströmungen auftretenden Wakefields (dt. „Fahrwasser“) für bei niedrigem Neutralgasdruck eingefangene Staubcluster adressiert. Der Schmelzprozess finiter Staubwolken kann auf zwei Arten induziert werden. Einerseits über Änderungen der physikalischen Eigenschaften des den Cluster umgebenden Plasmas oder andererseits mittels Laserheizung. Letztere Methode bietet ein allgemeineres Schmelzszenario, da es die Bestimmung des kritischen Kopplungsparameters am Schmelzpunkt erlaubt. Zusätzlich zeigte sich, dass der Phasenübergang beim Schmelzen eines finiten Systems zweistufig ist. Erst kommt es zu einem Verlust der Winkelordnung, anschließend zu einem Verschwinden der radialen Ordnung bei höheren Energien. Danach wurde die Modendynamik finiter 3D Staubansammlungen sowohl in der festen als auch der fluiden Phase untersucht. Fluid- und Kristallmoden (Normalmoden) spiegeln die wesentlichen spektralen Eigenschaften des untersuchten Systems wider, wobei die Normalmoden eher für kristalline Zustände geeignet sind. Die Fluidmoden lassen sich mittels Plasma und mittels Laser anregen. Die Anregungsfrequenzen sind hierbei im festen und flüssigen Regime nahezu unabhängig vom Kopplungsparameter. Die Teilchen-Teilchen-Wechselwirkung lässt sich mittels Variation der Plasmaparameter über den Ionenfokus steuern. Beide Analysemethoden, obwohl für Gleichgewichtssituationen entwickelt, geben Hinweise auf das Vorhandensein von Ionenfoki. Die entsprechenden Maxima in den Normal- und Fluidmodenspektren lassen sich nicht zu den Eigenmoden des Systems zuordnen, was den Nichtgleichgewichtscharakter des Ionenfokus weiter unterstreicht. Erste Schritte zur Erweiterung der Normalmodenanalyse für Situationen des ionenfokusmodulierten Nichtgleichgewichts wurden präsentiert. Statistische Messgrößen wurden anhand von Langzeitexperimenten bestimmt und der Diffusionskoeffizient finiter Staubsysteme wurde mit Hilfe der Instantanen Normalmodenanalyse berechnet. Hierbei zeigte sich eine um einiges höhere Diffusion für 3D im Vergleich zu 2D Staubclustern. Es wurde, in Übereinstimmung mit früheren Simulationen, gezeigt, dass die Konfigurationsentropie mit wachsender Größe des Systems ansteigt. Die Temperaturabhängigkeit der Konfigurationsentropie variiert von 2D zu 3D Staubwolken, wobei ein Schwellwertverhalten nur für finite 2D Ensemble beobachtet wurde. Mittels Instantaner Normalmodenanalyse zur Berechnung des totalen Anteils instabiler Moden wurde die Vorhersage von Keyes (Phys Rev E 62, p7905, 2000), welche Transport und Unordnung verknüpft, getestet und für 2D Staubcluster verifiziert, nicht jedoch für 3D Staubcluster. Der Grund hierfür muss an dieser Stelle offen gelassen werden. Zum Abschluss wurde der laserinduzierte Rekristallisationsprozess für finite 3D Staubwolken untersucht. Zuerst wurde die zeitliche Entwicklung des Coulomb-Kopplungsparameters während der Heiz- und der Rekristallisationsphase verfolgt. Eine Kühlrate ließ sich aus der Frühphase der Rekristallisation bestimmen. Die Kühlung erfolgt auf langsameren Zeitskalen als die Dämpfungsrate des Neutralgases, in Übereinstimmung mit früheren Simulationen. Einen großer Anteil an Clusterzuständen nach Ende der Rekristallisationsphase stellen metastabile Energiezustände dar. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Zeitskala des Aufbaus von Korrelationen in endlichen 3D Systemen noch langsamer ist als die Zeitskala für die Kühlung des Systems. Mit anderen Worten lassen sich verschiedene Zeitskalen für den schnellen Aufbau der einzelnen Schalen und den langsamere Ordnungsaufbau auf diesen Schalen finden.

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Metadaten
Author: André Schella
URN:urn:nbn:de:gbv:9-001997-9
Title Additional (English):Finite 3D dust clouds beyond the crystalline state
Title Additional (German):Finite 3D Staubwolken jenseits der kristallinen Phase
Advisor:Prof. Dr. André Melzer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2014/09/16
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2014/09/09
Release Date:2014/09/16
Tag:Finite Systeme, Laserheizung, Modendynamik, Phasenübergänge, Staubige Plasmen
Phase transitions, dusty plasma, finite systems, laser heating, mode dynamics
GND Keyword:Cluster, Dynamik, Plasma
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:00.00.00 GENERAL / 05.00.00 Statistical physics, thermodynamics, and nonlinear dynamical systems (see also 02.50.-r Probability theory, stochastic processes, and statistics) / 05.10.-a Computational methods in statistical physics and nonlinear dynamics (see also 02.70.-c in mathematical methods in physics)
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.27.-h Basic studies of specific kinds of plasmas / 52.27.Lw Dusty or complex plasmas; plasma crystals
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.35.-g Waves, oscillations, and instabilities in plasmas and intense beams (see also 94.20.wf Plasma waves and instabilities in physics of the ionosphere; 94.30.cq MHD waves, plasma waves, and instabilities in physics of the magnetosphere; 96.50.Tf MHD waves, pl
60.00.00 CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL, AND THERMAL PROPERTIES / 61.00.00 Structure of solids and liquids; crystallography (for surface, interface, and thin film structure, see section 68) / 61.46.-w Structure of nanoscale materials (for thermal properties of nanocrystals and nanotubes, see 65.80.+n; for mechanical properties of nanoscale systems, see 62.25.-g; for electronic transport in nanoscale materials, see 73.63.-b; see also 62.23.-c Structural / 61.46.Bc Structure of clusters (e.g., metcars; not fragments of crystals; free or loosely aggregated or loosely attached to a substrate) (see also 61.48.-c for structure of fullerenes)
60.00.00 CONDENSED MATTER: STRUCTURAL, MECHANICAL, AND THERMAL PROPERTIES / 64.00.00 Equations of state, phase equilibria, and phase transitions (see also 82.60.-s Chemical thermodynamics) / 64.60.-i General studies of phase transitions (see also 63.70.+h Statistical mechanics of lattice vibrations and displacive phase transitions; for critical phenomena in solid surfaces and interfaces, and in magnetism, see 68.35.Rh, and 75.40.-s, respectively) / 64.60.A- Specific approaches applied to studies of phase transitions / 64.60.an Finite-size systems