Елена Валерьевна Васильева [0000-0002-7662-6515]
Объединенный институт высоких температур РАН
125412, Россия, Москва
E-mail: elen_vasilieva@mail.ru
Аннотация. В статье представлено интервью с к.ф.-м.н., научным сотрудником лаборатории диагностики пылевой плазмы ОИВТ РАН и лаборатории физики активных сред и систем МФТИ о проводимых экспериментальных исследованиях в области исследования промежуточной фазы между кристаллическим и жидким состоянием в плоской плазменно-пылевой системе. Существование этой фазы впервые экспериментально подтверждено в двумерных структурах в плазме. Исследование физических свойств двумерных систем имеет огромное прикладное значение. Такие исследования сейчас бурно развиваются, обещая в перспективе новые материалы с заданными свойствами и устройства на их основе в сфере микроэлектроники, медицины для секвенирования ДНК и в других областях науки и техники.
Ключевые слова: плазменно-пылевые системы, лабораторный эксперимент, состояние вещества, двумерные системы, плазма
Ученые Объединенного института высоких температур (ОИВТ РАН) и МФТИ экспериментально подтвердили наличие промежуточной фазы между кристаллическим и жидким состоянием в плоской плазменно-пылевой системе [1]. Теоретическое предсказание промежуточной ― гексатической ― фазы заслужило Нобелевскую премию по физике в 2016 году: премия была присуждена Майклу Костерлицу, Дэвиду Таулессу и Дункану Холдейну с формулировкой «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи».
В научной статье [2] в журнале Scientific Reports ученые опубликовали свои наблюдения и детальное описание экспериментов, в ходе которых они впервые наблюдали гексатическую фазу в двумерных структурах в плазме. В работе описаны способы точной идентификации точек фазового перехода и представлен детальный анализ структурных свойств такой системы. Полученные в ходе эксперимента данные полностью соответствуют теории Березинского — Костерлица — Таулесса.
Проведенный эксперимент позволяет однозначно заявить о двухступенчатом процессе плавления кристалла и идентифицировать точки фазового перехода “твердое тело — гексатическая фаза” и “гексатическая фаза — жидкость. Продолжительное время проведения эксперимента, достаточное для установления стационарного состояния системы, в сочетании с точными методами управления температурой частиц позволило плавно изменять параметры системы и пронаблюдать гексатическую фазу».
Несмотря на то, что теории Березинского — Костерлица — Таулесса, которая предсказывает двухступенчатое плавление от кристалла к жидкой фазе с образованием промежуточной гексатической фазы, уже более 40 лет, до сих пор не получалось изучить эти процессы в лабораторных плазменных системах. Двумерные переходы уже наблюдались в полимерных коллоидах, магнитных пузырьках в тонких пленках, жидких кристаллах и суперпроводниках, однако экспериментальных подтверждений двухстадийного плавления в пылевой плазме долгое время не было.
Исследование физических свойств двумерных систем имеет огромное прикладное значение. Такие исследования сейчас бурно развиваются, обещая в перспективе новые материалы с заданными свойствами и устройства на их основе в сфере микроэлектроники, медицины для секвенирования ДНК и т. д.
Представленные в статье результаты были получены при поддержке Российского научного фонда в рамках проекта «Активное броуновское движение кулоновских макрочастиц в плазме и сверхтекучем гелии».
Редакция журнала ОСЭ обратилась к Елене Васильевой с просьбой подробнее прокомментировать прикладные аспекты проведенных исследований. Ниже приведены ответы на наши вопросы:
Каково прикладное значение «двумерных» состояний вещества в сфере новых энергетических технологий? Какие материалы с заданными свойствами позволят создать эти технологии?
Двумерные материалы обладают новыми физическими свойствами и особенностями, которые могут быть востребованы и найти свое применение в различных технологических процессах. К примеру, мы еще со школы знаем, что когда кристалл плавится, то получается жидкость. Но в двумерных системах все по-другому: после кристалла может быть еще одна фаза – гексатика, и только потом жидкость. Вот в нашей работе как раз удалось экспериментально исследовать этот двустадийный фазовый переход.
Двумерный материал – который у всех на слуху – графен. Его уникальные физические свойства открывают различные технологические возможности: здесь и сверхпроводимость, и полупроводники, и огромная теплопроводность. Изучение графена, в свою очередь, зародило интерес к исследованиям свойств и прикладных возможностей других двумерных материалов.
Двумерные материалы выглядят многообещающими и для различных электрофизических и энергетических приложений: для изготовления электродов, аккумуляторов высокой емкости, для технологий преобразования световой энергии в электрическую, созданию защитных экранов и др.
Насколько сложный был процесс экспериментальной работы и есть ли аналогичные работы у иностранных коллег?
Данная работа оказалась успешной благодаря большому числу факторов, которые успешно сложились воедино. Это и уникальный объект исследований – коллоидная плазма, и методика воздействия на систему и подходы к дизайну эксперимента. Исследование коллоидной (пылевой) плазмы ведется в нашей лаборатории уже более 25 лет. Коллоидная плазма — уникальный объект, позволяющий исследовать различные процессы, в том числе неравновесные фазовые переходы, на кинетическом уровне (т.е. отслеживая и анализируя поведения каждого элемента системы) и здесь у нашей группы огромный опыт. Кроме того, в качестве методики воздействия на пылевую структуру было предложено использовать лазер и частицы с металлическим покрытием, способные поглощать лазерное излучение. Таким образом, прецизионно меняя мощность лазерного излучения – мы изменили энергию «закачиваемую» в систему и ее фазовое состояние без изменений параметров окружающей плазмы. Наши коллеги за рубежом, тоже пытались пронаблюдать двустадийный переход в подобной системе, но их подход не позволил сделать этого. Состояние системы они пытались изменять, путем изменения параметров плазмы и действительно пронаблюдали два состояния кристалл и жидкость, но «проскочили» гексатику. Дело в том, что изменяя параметры плазмы, они кардинально меняли всё в этой сложносогласованной системе: концентрацию электронов и ионов, плотность нейтралов и диссипацию, заряд на частицах, их взаимодействие и т.д. Отсюда и результат.
Какие дальнейшие перспективы исследований?
Конечно мы продолжаем исследования в этой области. Применённый подход позволит исследовать еще многие процессы как в двумерных так и в трехмерных системах активных броуновских частиц. Мы ведем эксперименты с Янус частицами, где нашими коллегами из лаборатории уже получены многообещающие результаты. Ведутся эксперименты с активными броуновскими частицами и при криогенных температурах ниже лямбда точки – уже готовятся публикации по данной теме.
Благодарность
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 20-12-00372).
Литература
- Ученые впервые экспериментально получили промежуточное состояние вещества между кристаллом и жидкостью [Электронный ресурс]. . 2021URL: https://mipt.ru/news/uchenye_vpervye_eksperimentalno_poluchili_promezhutochnoe_sostoyanie_veshchestva_mezhdu_kristallom_.
- Vasilieva E. V., Petrov O.F., Vasiliev M.M. Laser-induced melting of two-dimensional dusty plasma system in RF discharge // Scientific Reports. 2021. № 1(11). С. 523. DOI:10.1038/s41598-020-80082-x.
References
- Scientists for the first time experimentally obtained an intermediate state of matter between a crystal and a liquid [Electronic resource]. … 2021URL: https://mipt.ru/news/uchenye_vpervye_eksperimentalno_poluchili_promezhutochnoe_sostoyanie_veshchestva_mezhdu_kristallom_i
- Vasilieva E. V., Petrov O.F., Vasiliev M.M. Laser-induced melting of two-dimensional dusty plasma system in RF discharge // Scientific Reports. 2021. No. 1 (11). S. 523.DOI: 10.1038 / s41598-020-80082-x.