Физики Казанского федерального университета разработали теоретическую модель, описывающую распространение звуковых волн в плотной плазме.

Сотрудники кафедры вычислительной физики Института физики Казанского федерального университета под руководством заведующего кафедрой, профессора Анатолия Мокшина стали авторами оригинальной теоретической модели, описывающей коллективное поведение ионов в плотной плазме, которая является экстремальным состоянием вещества, характеризуется сверхвысоким давлением и температурой. Она встречается в различных астрофизических объектах и образуется в процессе инерциального термоядерного синтеза.

Отличительной особенностью плотной плазмы является дальнодействующий характер взаимодействия отдельных частиц, что приводит к уникальным эффектам в их коллективном поведении.

«Один из таких эффектов заключается в том, что колебания плотности (звуковые волны – прим. ред.) могут распространяться в этой плазме на большие расстояния без значительного затухания. Представленная теоретическая модель позволяет подробно описать такие слабо затухающие коллективные колебания. В частности, в работе были получены аналитические выражения для скорости и коэффициента затухания звуковых волн в плотной плазме», – ввел в курс дела профессор Мокшин.

Полученные теоретические результаты имеют важное значение для развития физики сильно коррелированных неупорядоченных систем многих частиц — области современной физики конденсированного состояния, которая изучает свойства таких сред, как плазма, жидкости, коллоидные суспензии и другие.

Результаты работы представлены в статье, опубликованной в высокорейтинговом журнале Physical Review E. Она поддержана грантом Академии наук Республики Татарстан.

«Характер коллективной динамики частиц, из которых образуются материалы – твердые тела, жидкости, газы – определяет их различные физические свойства, такие как распространение звука, теплоемкость, перенос массы и тепла. Если рассматривать кристаллическое твердое тело как систему взаимодействующих частиц, то для описания коллективной динамики таких систем применяется теоретическая концепция фононов, под ними подразумеваются атомы или молекулы, располагающиеся в узлах кристаллической решетки и испытывающие колебательные движения. Наличие структурного порядка в кристаллах, а именно наличие регулярного расположения атомов/молекул, позволяет в рамках концепции фононов объяснить и теоретически корректно описать практически все известные физические процессы, связанные с коллективной динамикой частиц в кристаллах. Тем не менее концепция фононов оказывается несостоятельной в случае описания коллективной динамики частиц в неупорядоченных, некристаллических системах, таких как жидкости, аморфные твердые тела, плотная плазма. В этом случае эффективной оказывается другая концепция – концепция временных корреляционных функций. Именно в рамках нее ранее нами был разработан оригинальный общий теоретический формализм, который успешно применяется для описания различных физических процессов в жидкостях. В настоящей работе этот формализм был положен нами в основу теоретической модели, описывающей коллективную динамику частиц такой специфической и интересной физической системы, как плотная плазма. Преимуществом является отсутствие каких-либо подгоночных параметров», – поясняет заведующий кафедрой.

Неупорядоченные среды, по словам ученого, широко распространены как в природе, так и в технологических процессах. К таким системам относятся плазма компактных звезд и коллоидные растворы.

«В системах с выраженным дальнодействием во взаимодействии отдельных частиц, например в рассмотренной нами плазме Юкавы, реализуется следующий механизм распространения звуковых волн. Отсутствие дальнего порядка в таких системах компенсируется дальнодействием межчастичного взаимодействия. В результате звук может распространяться по всей системе без существенного затухания подобно тому, как это происходит в кристаллических телах», – подчеркнул соавтор работы, доцент кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов Института физики Ильназ Файрушин.

А. Мокшин уточнил, что аналогичный механизм распространения коллективных возбуждений также реализуется в других системах с дальнодействующим характером межчастичного взаимодействия. Таким образом, подход, предложенный учеными для развития теоретических моделей слабо затухающих коллективных возбуждений, может быть расширен и на другие подобные системы.

Исследование свойств плотной плазмы имеет важное практическое применение в энергетике, поскольку она является рабочим телом в установках по инерциальному термоядерному синтезу. В данном процессе плотная плазма образуется в результате воздействия на мишень сверхинтенсивного лазерного излучения. Кроме того, полученные в работе результаты могут быть использованы для более глубокого понимания процессов в так называемой комплексной или пылевой плазме. Этот ее вид представляет собой уникальный физический объект, свойства которого исследуются, например, в условиях микрогравитации на Международной космической станции. Уникальность ее заключается в том, что ее можно рассматривать как простую физическую модель для детального изучения свойств конденсированных сред на уровне отдельных частиц.