Структурный переход в сильнонеидеальных кулоновских кластерах

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Методом молекулярной динамики исследованы равновесные состояния кулоновских кластеров, содержащих до 5000 частиц, при высоких значениях кулоновского параметра неидеальности. Показано, что при числе частиц более 2000 в кулоновских кластерах появляется кристаллизованное ядро с доминирующей структурой ГПУ, которое плавится при величине параметра неидеальности, близкой к характерной для бесконечной однокомпонентной плазмы. В целом большой кластер представляет собой кристаллическое ядро, окруженное сферическими оболочками, число которых не зависит от полного числа частиц, но зависит от параметра неидеальности. Большая величина порога структурного перехода объясняется близостью потенциальных энергий кристаллической структуры и системы вложенных сферических оболочек. Фактор сжимаемости частиц, определенный как по вириалу сил, так и по энергии, оказывается близким к нулю в широком диапазоне чисел частиц, что позволяет экстраполировать этот результат к классической однокомпонентной плазме. Предложено объяснение данного результата, основанное на модели ячеек Вигнера–Зейтца.

About the authors

Д. И. Жуховицкий

Объединенный институт высоких температур РАН

Author for correspondence.
Email: dmr@ihed.ras.ru
Russian Federation, Москва

Е. Е. Перевощиков

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: dmr@ihed.ras.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Baus M., Hansen J.-P.Statistical Mechanics of Simple Coulomb Systems // Phys. Rep. 1980. V. 59. P. 1.
  2. Slattery W.L., Doolen G.D., DeWitt H.E. Improved Equation of State for the Classical One-component Plasma // Phys. Rev. A.1980. V. 21. P. 2087.
  3. Hamaguchi S., Farouki R.T., Dubin D.H.E. Triple Point of Yukawa Systems // Phys. Rev. E.1997. V. 56. P. 4671.
  4. Slattery W.L., Doolen G.D., DeWitt H.E. N Dependence in the Classical One-component Plasma Monte Carlo Calculations // Phys. Rev. A.1982. V. 26. P. 2255.
  5. Chabrier G. Quantum Effects in Dense Coulombic Matter: Application to the Cooling of White Dwarfs // Astrophys. J. 1993. V. 414. P. 695.
  6. Chabrier G., Ashcroft N.W., DeWitt H.E. White Dwarfs as Quantum Crystals // Nature.1992. V. 360. P. 48.
  7. Комплексная и пылевая плазма: из лаборатории в космос / Под ред. Фортова В., Морфилла Г. М.: Наука; Физматлит, 2012. 444 с.
  8. Arp O., Block D., Piel A. Dust Coulomb Balls: Three-Dimensional Plasma Crystals // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. P. 165004.
  9. Totsuji H., Ogawa T., Totsuji C., Tsuruta K. Structure of Spherical Yukawa Clusters // J. Phys. A: Math. Gen. 2006. V. 39. P. 4545.
  10. Baumgartner H., Kählert H., Golobnychiy V., Henning C., Käding S., Melzer A., Bonitz M. Shell Structure of Yukawa Balls // Contrib. Plasma Phys. 2007. V. 47. P. 281.
  11. Block D., Käding S., Melzer A., Piel A., Baumgartner H., Bonitz M. Experiments on Metastable States of Three-dimensional Trapped Particle Clusters // Phys. Plasmas. 2008. V. 15. P. 040701.
  12. Apolinario S.W.S., Aguiar J.A., Peeters F.M. Angular Melting Scenarios in Binary Dusty-plasma Coulomb Balls: Magic Versus Normal Clusters // Phys. Rev. E. 2014. V. 90. P. 063113.
  13. Bonitz M., Block D., Arp O., Golubnychiy V., Baumgartner H., Ludwig P., Piel A., Filinov A. Structural Properties of Screened Coulomb Balls // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. P. 075001.
  14. Silva F.C.O., Apolinario S.W.S. Structural Properties of Anisotropically Confined Binary Coulomb Balls // Phys. Rev. E. 2014. V. 89. P. 062318.
  15. Wineland D.J., Bergquist J.C., Itano W.M., Bollinger J.J., Manney C.H. Atomic-Ion Coulomb Clusters in an Ion Trap // Phys. Rev. Lett. 1987. V. 59. P. 2935.
  16. Dubin D.H.E., O’Neil T.M. Trapped Nonneutral Plasmas, Liquids, and Crystals (the Thermal Equilibrium States) // Rev. Mod. Phys. 1999. V. 71. P. 87.
  17. Caillol J.-M., Gilles D. An Accurate Equation of State for the One-component Plasma in the Low Coupling Regime // J. Phys. A: Math. Theor. 2010. V. 43. P. 105501.
  18. Caillol J.-M. Thermodynamic Limit of the Excess Internal Energy of the Fluid Phase of a One-component Plasma: A Monte Carlo Study // J. Chem. Phys. 1999. V. 111. P. 6538.
  19. Шпилько Е.С., Жуховицкий Д.И. О применимости приближения ячеек Вигнера–Зейтца для кулоновских кластеров // Физика плазмы.2023. Т. 49. № 10. С. 1003.
  20. Demyanov G.S., Levashov P.R. One-component Plasma of a Million Particles Via Angular-averaged Ewald Potential: A Monte Carlo Study // Phys. Rev. E. 2022. V. 106. P. 015204.
  21. Khrapak S.A., Khrapak A.G., Ivlev A.V., Thomas H.M. Ion Sphere Model for Yukawa Systems (Dusty Plasmas) // Phys. Plasmas. 2014. V. 21. P. 123705.
  22. Zhukhovitskii D.I., Naumkin V.N., Khusnulgatin A.I., Molotkov V.I., Lipaev A.M. Dust Coupling Parameter of Radio-frequency-discharge Complex Plasma under Microgravity Conditions // Phys. Rev. E. 2017. V. 96. P. 043204.
  23. Липаев А.М., Жуховицкий Д.И., Наумкин В.Н., Усачев А.Д., Зобнин А.В., Петров О.Ф., Фортов В.Е. Исследования пылевой газоразрядной плазмы на космической установке «Плазменный кристалл-3 плюс» (обзор) // ТВТ. 2020. Т. 58. № 4. С. 485.
  24. Epstein P. On the Resistance Experienced by Spheres in Their Motion Through Gases // Phys. Rev. 1924. V. 23. P. 710.
  25. Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R., Bolintineanu D.S., Brown W.M., Crozier P.S., in’t Veld P.J., Kohlmeyer A., Moore S.G., Nguyen T.D., Shan R., Stevens M.J., Tranchida J., Trott C., Plimpton S.J. LAMMPS – a Flexible Simulation Tool for Particle-based Materials Modeling at the Atomic, Meso, and Continuum Scales // Comp. Phys. Comm. 2022. V. 271. P. 108171.
  26. Larsen P.M., Schmidt S., Schiøtz J. Robust Structural Identification Via Polyhedral Template Matching // Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 2016. V. 24. P. 055007.
  27. Wu Y.-Ch., Shao J.-L. Mdapy: A Flexible and Efficient Analysis Software for Molecular Dynamics Si-mulations // Comput. Phys. Commun. 2023. V. 290. P. 108764.
  28. Zhukhovitskii D.I. Enhancement of the Droplet Nucleation in a Dense Supersaturated Lennard-Jones Vapor // J. Chem. Phys. 2016. V. 114. P. 184701.
  29. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 5. Статистическая физика. Ч. 1. М.: Физматлит, 2002. 616 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences