Российские и британские исследователи научились регулировать взаимодействия между частицами в однослойном кристалле плазмы с примесью пыли и смогли визуализировать весь процесс. Узнав механизмы различных дефектов в обычных кристаллах на молекулярном уровне, можно будет управлять ими и получать материалы с необходимыми свойствами.

Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review E.

Кристаллы — это протяженные упорядоченные структуры, состоящие из атомов одного или разных химических элементов. Часто в своих расчетах ученые используют модели идеальных кристаллов, в которых нет никаких пустот и отклонений в расположении атомов. Но в природе такие материалы могут существовать теоретически только при абсолютном нуле. В реальных кристаллах всегда наблюдаются дефекты. Это может быть либо вакансия — отсутствие атома в том положении, где он должен быть, либо межузельный атом — присутствие элемента кристалла между узлами решетки.

Новая работа ученых из МГТУ имени Н. Э. Баумана, Института физики высоких давлений имени Л. Ф. Верещагина РАН и Лондонского университета королевы Марии посвящена дефектам, вызванным присутствием тяжелых частиц в кристалле плазмы. Плазма — это четвертое агрегатное состояние вещества, которое представляет собой газ из ионов — атомов, лишенных своих электронов. Она подчиняется основным газовым законам и способна проявлять характерные исключительно для нее свойства при помещении в электрическое и магнитное поля. Большая часть Вселенной представлена так называемой пылевой плазмой с крупными заряженными частицами. Этот вид четвертого состояния демонстрирует явления, аналогичные тем, что происходят в молекулярных системах: кристаллизация, плавление, распространение звука и пластическая деформация.

Пылевую плазму поддержанные грантом Российского научного фонда ученые получали в специальной емкости, заполненной инертным газом. В этой камере также находились два электрода для ионизации среды. После добавления сферических частиц в заполненную газом емкость ученые наблюдали образование однослойного кристалла плазмы над одним из электродов.

После этого авторы работы выяснили, как плавится такой кристалл. Оказалось, что этот процесс происходит в два этапа: возникновение «горячей» области вблизи теплового дефекта и полное разрушение всей решетки. Такие процессы очень распространены в природе, например, это дефекты кристаллической решетки различных минералов. Однако их сложно визуализировать на уровне отдельных частиц, поэтому плазменные кристаллы — удобный инструмент для их изучения.

«Мы получили однослойный плазменный кристалл с более тяжелыми частицами, обуславливающими появление дефектов. На все частицы в системе действуют электрические силы и сила тяжести, уравновешивающие друг друга. Пыль находится в потоке плазмы и создает в ней плазменные следы, подобные кильватерным при движении кораблей. Они оказывают воздействие на перемещение соседних заряженных микрочастиц в кристалле», — рассказал руководитель работы, ведущий научный сотрудник МГТУ Станислав Юрченко.