Kontrolle von Struktur und Dynamik finiter Plasmakristalle

Schablinski, Jan

Diese Dissertation befasst sich mit neuen experimentellen Möglichkeiten zur strukturellen und dynamischen Manipulation finiter Staubwolken in einem Plasma. Derartige Partikelsysteme sind aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften hervorragend für umfassende Untersuchungen von Korrelationseffekten in stark gekoppelten Systemen geeignet und daher Gegenstand intensiver Forschungsanstrengungen der letzten 20 Jahre. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Vorgehensweisen verfolgt. Zum einen wird eine globale Anregung dynamischer Prozesse mittels umlaufender elektrischer Felder sowie mit einer rotierenden Neutralgassäule untersucht. Letztgenannte Methode wird genutzt, um einen scherinduzierten Schmelzprozess zu erforschen. In diesem Zusammenhang werden sowohl der Einfluss der Partikelwechselwirkung als auch der Einschlussgeometrie auf die Dynamik rotierender Systeme untersucht. Zum anderen liegt ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit auf der Lasermanipulation, die eine kontrollierte Manipulation von Staubsystemen ohne signifikante Beeinflussung des Plasmahintergrunds ermöglicht. Am Beispiel der Laserheizung wird hierbei eine weitere globale Manipulationsmethode in Form eines idealen Thermostaten für Staubcluster vorgestellt. Es wird ferner nachgewiesen, dass die diffuse Reflexion eines Laserstrahls nicht nur signifikanten Einfluss auf Staubpartikel haben kann, sondern auch gezielt für eine globale sowie teil-lokalisierte Anregung dynamischer Prozesse genutzt werden kann. Es wird gezeigt, dass hiermit eine selektive Anregung weniger Eigenmoden von Clustern möglich ist und diese bei geeigneter Topologie und passender Anregungsfrequenz resonant getrieben werden können. Schließlich wird mit einer auf die Anwendung in staubigen Plasmen angepassten optischen Falle ein neues und vielseitiges Werkzeug vorgestellt, mit dem Staubpartikel in einem Laserstrahl eingefangen werden können. Es werden damit zum einen die Folgen intensiver Laserbestrahlung auf die Partikeleigenschaften untersucht und zum anderen wird gezeigt, dass mit dieser Laserpinzette einzelne Partikel in Vielteilchensystemen kontrolliert werden können. Es werden Anwendungen vorgestellt, mit denen die Auswirkungen einer lokalen Manipulation von Struktur und Dynamik auf das kollektive Partikelverhalten in Staubclustern analysiert werden.

This thesis addresses novel experimental methods of structural and dynamic manipulation of finite dust clouds in plasmas. Due to their unique nature such particle systems are exceptionally suited for extensive studies of correlation effects in strongly coupled systems, and hence have been subject to intensive research work over the past 20 years. Within the scope of this work different approaches are taken. On the one hand a global excitation of dynamic processes is studied by means of rotating electric fields as well as using a rotating neutral gas column. The latter method is used to explore a shear-induced melting process. In this context both the role of the particle interaction ands the influence of the confinement geometry are studied. On the other hand emphasis is placed on laser manipulation, which allows for a well-controllable manipulation of particle systems without a significant perturbation of the plasma background. By the use of laser heating a further form of global manipulation is demonstrated which can be regarded as an ideal thermostat for dust clusters. Furthermore, it is shown that the diffuse reflection of a laser beam may not only have significant impact on dust particles but can also be used for a purposeful excitation of dynamical processes in either a global or a partially localized manner. With the help of this method a selective excitation of few normal modes in a cluster is demonstrated, which can be driven resonantly in case of a suitable topology and appropriate excitation frequencies. Finally, an optical trap adapted for the use in dusty plasmas is introduced. This novel and versatile tool allows to trap single particles in the beam of a laser. By the use of this trap, the impact of the exposure of a microparticle to intensive laser irradiation on its properties is studied. Further, it is shown that single grains in a many-particle system can be effectively trapped and controlled by this laser tweezer. Applications of this method are presented and used to analyze the effects of a local manipulation of structure and dynamics on the collective response of strongly coupled particle systems.

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Schablinski, Jan: Kontrolle von Struktur und Dynamik finiter Plasmakristalle. 2015.

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