Melting Processes and Laser Manipulation of Strongly Coupled Yukawa Systems

Thomsen, Hauke

The thesis at hand is devoted to the melting processes in spherical dust crystals and mechanisms for the selective heating of the dust particles. The observed dust crystals are composed of micrometer-sized plastic spheres, which become negatively charged inside an rf-plasma, and are therefore subject to strong (screened) Coulomb interactions. In a three-dimensional harmonic confinement potential, so-called Coulomb or Yukawa balls are formed. These ``artificial atoms'' consist of nested spherical shells even at room temperature. In addition to the radial order, the melting process of these three-dimensional shell structures involves the loss of the relative orientation of the shells to each other and the specific arrangement of the dust particles within a shell. For the investigation of the multi-stage melting process of Yukawa balls, classical Monte Carlo simulations are applied. In order to cover a broad temperature range, the so-called parallel tempering method has been implemented which allows exchanges between system replicas at different temperatures. The first topical part of this work is the development of appropriate melting criteria for finite dust clusters that make it possible to resolve different melting processes. For this purpose, the center-two-particle distribution function and the triple-correlation function are introduced. These quantities describe the distributions of particle pairs and triples, respectively, in generalized coordinates. The coordinates are adjusted to the spherical symmetry of the confined Yukawa systems. As a measure of the degree of order in such a distribution, a reduced entropy Sn is introduced, which generalizes the concept of the thermodynamic Boltzmann entropy to pair and three-particle distributions. The application of this quantity allows a systematic analysis of the multi-level structural transitions in the studied dust crystals. In particular the intra-shell order within the spherical shells are proved to be highly stable. The second main topic of this thesis deals with the selective heating of two-dimensional, planar dust crystals by means of moving laser spots. In order to characterize the properties of the considered heating method, Langevin molecular dynamics (LMD) simulations are performed, in which the radiation pressure of the laser is used as an additional, time-dependent force acting on the dust particles. In addition to the laser power, other parameters such as the spot size or the speed at which the spots are moved through the cluster have a significant influence on the heating power. A simple analytical model is presented, which allows for an estimation of the resulting dust temperature in dependence on the parameters of the laser heating. In the final part of the thesis at hand, a realistic experimental setup is considered in which the central part of the dust cluster is selectively heated. The particular temperature profiles obtained in the LMD simulations allow for conclusions about the radial thermal conductivity. The presented quantities are well suited for experimental applications since they are based only on the positions and velocities of the particles which are accessible in experiments. The thermal conductivity does not show any dependency on the dust temperature over wide ranges. At the same time, already a relatively weak perpendicular magnetic field is found to reduce the thermal conductivity.

Die vorliegende Dissertation behandelt Schmelzprozesse in sphärischen Staubkristallen sowie Mechanismen zur Staubheizung. Die betrachteten Staubkristalle setzen sich aus mikrometergroßen Plastikkügelchen zusammen, die sich in einem rf-Plasma negativ aufladen und daher einer starken (abgeschirmten) Coulomb-Wechselwirkung unterliegen. In dreidimensionalen harmonischen Fallenpotentialen formen sich sogenannte Coulomb- oder Yukawa-Balls. Diese ``künstlichen Atome'' bestehen bei Raumtemperatur aus ineinander geschachtelten Kugelschalen. Bei der Analyse der Schmelzübergänge wird zwischen der radialen Ordnung, der relativen Orientierung der Schalen zueinander, sowie der Anordnung der Staubteilchen innerhalb einer Schale unterschieden. Zur Untersuchung des mehrstufigen Schmelzprozesses der Staubkristalle werden klassische Monte Carlo Simulationsverfahren implementiert. Um weite Temperaturbereiche berücksichtigen zu können, wird die sogenannte Parallel-Tempering-Methode verwendet, die einen Austausch zwischen den Teilchenkonfigurationen bei verschiedenen Temperaturen ermöglicht. Den ersten Schwerpunkt dieser Arbeit stellt die Entwicklung geeigneter Schmelzkriterien für finite Staubcluster dar, die es ermöglichen, die verschiedenen Schmelzprozesse detailliert aufzulösen und zu analysieren. Zu diesem Zweck werden die „Center-Two-Particle“ Verteilungsfunktion und die „Triple-Correlation Function“ eingeführt. Diese einführten Größen beschreiben die Verteilungen von Teilchenpaaren und -tripeln in generalisierten Koordinaten, welche an die sphärische Symmetrie der finiten Cluster angepasst sind. Als ein Maß für den Grad der Ordnung in einer solchen Verteilung wird eine reduzierte Entropie Sn eingeführt, die in ihrer Form der thermodynamischen Boltzmann-Entropie sehr ähnlich ist. Mit ihrer Hilfe können mehrstufige Strukturübergänge in den untersuchten Staubkristallen systematisch analysiert werden. Dabei stellt sich insbesondere die Ordnung innerhalb der Schalen als außerordentlich stabil heraus. Der zweite Themenkomplex dieser Arbeit ist der gezielten Heizung von zweidimensionalen, ebenen Staubkristallen mit Hilfe von bewegten Laserspots gewidmet. Um die Eigenschaften der einzelnen Heizmethoden zu charakterisieren, werden Langevin Molekulardynamik Simulationen durchgeführt, in denen der Strahlungsdruck der Laser als zusätzliche, zeitabhängige Kraft auf die Staubteilchen berücksichtigt wurde. Umfangreiche Parameterscans zeigen, dass neben der Leistung des Lasers auch Parameter wie die Spotgröße oder die Geschwindigkeit, mit der die Spots durch den Cluster bewegt werden, erheblichen Einfluss auf die Heizleistung haben. Des weiteren wird ein einfaches analytisches Modell vorgestellt, das es erlaubt, die resultierende Staubtemperatur in Abhängigkeit von den Parametern der Laserheizung abzuschätzen. Im abschließenden Teil dieser Arbeit wird eine konkrete Versuchsanordnung betrachtet, in der selektiv der zentrale Bereich des Staubclusters geheizt wird. Das in den Simulationen bestimmte Temperaturprofil läßt Rückschlüsse auf die radiale Wärmeleitfähigkeit zu. Die verwendeten Methoden beruhen ausschließlich auf den Positionen und Geschwindigkeiten der Teilchen, die auch in Experimenten zugänglich sind. Während die Wärmeleitfähigkeit über weite Bereiche keine Abhängigkeit von der Staubtemperatur erkennen läßt, ist bereits ein relativ schwaches, senkrecht zur Clusterebene angelegtes Magnetfeld geeignet, die Wärmeleitfähigkeit zu reduzieren.

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Thomsen, Hauke: Melting Processes and Laser Manipulation of Strongly Coupled Yukawa Systems. 2015.

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