Сотрудники Объединенного института высоких температур РАН совместно с учеными Московского физико-технического института обнаружили новый механизм самоорганизации в пылевой плазме. Исследователи экспериментально показали, что система из всего лишь двух заряженных пылевых частиц способна самостоятельно переходить от хаотических колебаний к устойчивому синхронному вращению. Результаты работы опубликованы в «Журнале экспериментальной и теоретической физики».
В ходе эксперимента две сферические частицы удерживались в газоразрядной плазме электрическим полем. При изменении параметров разряда ученые наблюдали необычный переход: вместо случайного движения частицы начинали двигаться по почти круговым траекториям, сохраняя постоянный фазовый сдвиг относительно друг друга. При этом для поддержания вращения не использовались ни магнитные поля, ни внешние механические воздействия. Источником энергии служила сама окружающая плазма.
Ионный след оказался главным дирижером
Чтобы понять причину эффекта, исследователи выполнили многомасштабное компьютерное моделирование с использованием разработанного ими программного комплекса OpenDust. Расчеты воспроизвели наблюдаемое вращение и позволили выявить физический механизм явления.
Оказалось, что ключевую роль играет так называемый ионный след — область повышенного положительного заряда, возникающая позади одной из частиц в потоке плазмы. Такая асимметрия делает взаимодействие между частицами неравновесным. Дополнительный вклад вносит различие в жесткости удерживающего электрического поля для каждой частицы. В результате возникает крутящий момент, который поддерживает устойчивое вращение системы.
По словам авторов работы, открытие показывает, что сложное коллективное поведение может возникать даже в предельно простой системе, состоящей всего из двух взаимодействующих объектов. Обычно подобные эффекты связывают с большими ансамблями частиц.
Значение открытия
Исследование касается широкой области систем с несимметричными взаимодействиями — от активной материи и коллоидов до биологических коллективов. Подобные механизмы помогают объяснять согласованное движение клеток, микроорганизмов и искусственных микророботов.
В перспективе новый эффект может использоваться для управления движением микрочастиц в плазме и жидкостях. Феномен может оказаться востребован в технологиях адресной доставки веществ (например, лекарств), диагностики и создания самоорганизующихся микросистем.
Видео синхронного движения бактерий мы показали здесь.