Всего две микрочастицы смогли устроить «танец» в плазме. Новый эффект может изменить представления о самоорганизации сложных систем.
Сотрудники Объединенного института высоких температур РАН совместно с учеными Московского физико-технического института обнаружили новый механизм самоорганизации в пылевой плазме. Исследователи экспериментально продемонстрировали, что система из всего лишь двух заряженных пылевых частиц может 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 с помощью электрического поля. При изменении параметров разряда ученые наблюдали необычный переход: вместо случайного движения частицы начинали двигаться по практически 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 провели многомасштабное компьютерное моделирование с использованием разработанного ими программного комплекса OpenDust. Расчеты воспроизвели наблюдаемое вращение и позволили выявить физический механизм явления.
Выяснилось, что ключевую роль играет так называемый ионный след — область с повышенным положительным зарядом, 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 итоге возникает крутящий момент, который поддерживает стабильное вращение системы.
По словам авторов исследования, открытие демонстрирует, что сложное коллективное поведение может возникать даже в крайне простой системе, состоящей всего из двух взаимодействующих объектов. Обычно подобные эффекты связывают с большими ансамблями частиц.
Значение открытия
Исследование охватывает широкую область 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 быть использован для управления движением микрочастиц в плазме и жидкостях. Феномен может оказаться востребованным в технологиях адресной доставки веществ (например, лекарств), диагностики и создания самоорганизующихся микросистем.
Видео синхронного движения бактерий мы показали здесь.
Фото: hi-tech.mail.ru