近日，苏州大学 冯岩教授团队在尘埃等离子体理论研究上取得进展，率先提出使用超临界流体概念描述尘埃等离子体系统，基于团队之前发现的尘埃等离子体无量纲黏度变化趋势转变的标度律，指出超临界尘埃等离子体流体的类气-液转变点正对应于系统无量纲黏度最小处，并发现此处与超临界研究传统方式定义的Frenkel线完全一致。研究结果显示，二维和三维复杂等离子体的类气-液转变均发生在系统二十倍熔点处，具备普适性。鉴于此，文中提出这二十倍熔点的类气-液转变点完全等价于系统强弱耦合的分界线，比等离子体物理领域沿用几十年的耦合参数为1作为强弱耦合分界线更具有物理意义。该项研究成果以“Revealing the supercritical dynamics of dusty plasmas and their liquid-like to gas-like dynamical crossover”为题发表在《Physical Review Research》上。
超临界流体是指不存在传统的气液相变的流体，即无法通过传统的热力学参数区分其液相和气相。很多物质，当温度和压力高于某一临界点时，就能达到超临界流体状态。在核废料处理、石油化工、食品和制药等行业，超临界流体有着大量的应用，相关的物理研究开展得很广泛。虽然超临界流体没有热力学描述的气液相变，但近些年相当多的研究表明，从颗粒的动力学行为层面来看，超临界流体中其实存在着类气-液转变，而这种动力学转变一般通过Frenkel线来描述。
尘埃等离子体，也称复杂等离子体，指由自由电子、离子、中性气体原子和带电尘埃颗粒组成的复杂系统。实验条件下，大量带电尘埃颗粒可自组织形成强耦合的二维固体或液体，由于其颗粒运动合适的时空尺度，可通过顶视高速相机精确记录每个颗粒的运动轨迹，由此实现单颗粒动理学层面的完全测量。由于等离子体中自由电子离子的屏蔽效应，颗粒间相互作用是Yukawa纯排斥势，根据理论分析，并不存在经典的气液相变，完全符合超临界流体的定义。基于此，本文提出使用超临界流体概念描述尘埃等离子体系统。
本文通过计算机模拟，系统地研究了不同参数条件下的二维和三维尘埃等离子体的动力学行为。通过计算系统的热容、扩散系数、黏度系数、热导系数等一系列物理量，发现它们随系统相对耦合参数的变化满足标度律，无论是二维还是三维，抑或系统屏蔽参数如何改变。更有意义的是，这些物理量在系统二十倍熔点处均发生显著转变，本文明确指出，这些物理量转变处对应的参数条件，正对应超临界尘埃等离子体流体的类气-液转变点。
在传统超临界流体研究中，一般通过Frenkel线表征系统的类气-液转变，即系统的弛豫时间等于单颗粒的振动周期。研究发现，二维尘埃等离子体的系统弛豫时间可以用系统平均拓扑结构改变时间tau_LC来描述，而三维系统则可用去掉动能项后的黏弹性弛豫时间tau_M^{ex}描述，单颗粒振动周期则可用爱因斯坦频率的倒数统一表示，由此得出这两对时间比随系统相对耦合参数的变化均满足标度律，如图左所示。根据系统弛豫时间等于单颗粒的振动周期定义的Frenkel线，也位于系统的二十倍熔点处，与系统输运系数转变对应的条件一致。
超临界流体Frenkel线（左）；瞬时横波声速与颗粒平均速度比值的标度律（右）
进一步研究发现，二维、三维尘埃等离子体系统的瞬时横波声速与颗粒平均速度的比值随系统相对耦合参数的变化满足统一的标度律，如图右所示。更有意义的是，当系统瞬时横波声速和颗粒平均速度相等时，对应的也是系统的二十倍熔点。基于此，本文提出，可将系统群体速度等于颗粒平均速度作为描述超临界流体类气-液转变的新标准。运用此标准，本文准确地给出压缩冲击波诱导的尘埃等离子体产生的类气-液转变点，与之前研究发现的转变点条件完全一致。
鉴于上述一系列不同诊断手段给出的二维和三维尘埃等离子体的类气-液转变均发生在系统二十倍熔点这一具有普适性的结论，本文明确提出，这二十倍熔点的类气-液转变点，其实完全等价于系统强弱耦合的分界线。在等离子体物理领域，几十年来，系统强弱耦合的分界线一直沿用耦合参数为1这个人为主观定义的标准。本文提出的这二十倍熔点的类气-液转变点无疑更具有深刻的物理意义。
苏州大学博士后黄栋是该论文的第一作者，苏州大学冯岩教授和上海交通大学Matteo Baggioli教授是该论文的通讯作者。该研究获得国家自然科学基金委的资助，同时得到苏州大学 的支持。
论文链接：
URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevResearch.5.013149
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.013149
