На правах рукописи
ФИЛИНОВ Владимир Сергеевич КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПЛАЗМЕННЫХ СРЕДАХ
01.04.08 — физика плазмы
Диссертация в виде научного доклада на соискание учёной степени доктора физико-математических наук
Москва — 2006
Работа выполнена в Институте теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур РАН.
Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН профессор Анисимов С И ; доктор физико-математических наук, профессор Сон Э.И.; доктор физико-математических наук. Профессор ВОРОНЦОВ-ВелЬЯМИН08 П.Н.
Ведущая организация. Институт проблем химической физики РАН
Защита состоится ■•Щ)н4 2006г. ч.<22_ мин. на засе-
дании Диссертационного совета Д 002.110.02 при
Объединенного институту высоких температур РАН по адресу: 125412, г. Москва, Ижорскэя ул., д. 13/19, ИТЭС ОИВТ РАН.
С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.
Диссертация в виде научного доклада разослана “ 2006г.
О
Учёный секретарь Диссертационного сове- ,л д Хомкин
д.ф.-м.н., проф.
© Объединенный институт высоких температур РАНЬ^. ©Институт теплофизики экстремальных состояний
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Исследования термодинамических и транспортных свойств плотных плазменных сред являются актуальными для решения многих фундаментальных и прикладных задач современной физики. Традиционно под плотными плазменными средами понимается равновесная плазма, возникающая в результате ионизации атомов и молекул разных веществ при высоких температурах или давлениях. Однако в настоящее время, помимо термической плазмы, большой интерес вызывают исследования свойств электронно-дырочной плазмы в полупроводниках, электронного газа в металлах, заряженных частиц в различных ловушках и накопительным кольцах, кластеров заряженных частиц в мезоскопических квантовых точках, заряженных пылинок в плазме газового разряда и так далее.
Интерес к термической плазме особенно вырос в последние годы, когда импульсному эксперименту стали доступны состояния с высокими удельными концентрациями энергии. Знание термодинамических свойств важно для создания мощных плазменных энергетических установок и установок инерциального термоядерного синтеза, генерации вещества с высокой плотностью энергии и разработки соответствующей диагностики, интерпретации наблюдений звезд и зондирования гигантских планет.
Электронно-дырочная плазма является весьма удобным экспериментальным объектом для проверки теоретических и численных моделей неидеальных плазменных сред, поскольку относительно легко может быть создана в кристаллах редкоземельных галогенидов умеренным внешним давлением или с помощью лазерного возбуждения полупроводников. Кроме того, в литературе обсуждаются возможность создания на основе электронно-дырочных плазменных сред высокотемпературных сверхпроводников и всевозможных устройств электронной техники.
Цель работы. Представленная работа, в основном, посвящена исследованию влияния корреляционных эффектов на термодинамические свойства сильно неидеальных плазменных сред. Традиционные аналитические методы теории возмущений в этих условиях не применимы в виду отсутствия малых физических параметров, поэтому работа направлена на:
- разработку новых, не требующих существования малых физических параметров, численных методов стохастического моделирования сильно взаимодействующих кулоновских систем частиц;
- создание комплексов программ расчета термодинамических и транспортных свойств плотных плазменных сред;
- апробацию развитых методов математического моделирования на имеющихся экспериментальных данных;
- проведение численного анализа влияния сильного взаимодействия частиц на термодинамические свойства водородной, дейтериевой и электроннодырочной плазм;
- исследование условий возникновения таких корреляционных эффектов, как образование и распад квантовых связанных состояний (атомы, молекулы, экситоны и биэкситоны), аномальная сжимаемость дейтериевой плазмы, фазовый переход нейтральной плазмы в металлизированное состояние (переход Мотта), возникновение упорядоченных структур тяжелых ионов, кристаллизация и квантовое плавление дырок при низких температурах в плазме полупроводников. трансформация кристалла дырок в антиферромагнитную кристаллическую структуру.
Научная новизна состоит в следующем:
1. Разработан метод Монте-Карло (ММК), позволяющий проводить расчеты термодинамических свойств сильно взаимодействующих систем ферми-часгиц в широком диапазоне термодинамических параметров вплоть до отношения энергии Ферми к температуре порядка нескольких десятков. В литературе проблема расчета свойств таких систем известна как «проблема знаков» (sign problem).
2. С помощью развитого ММК проведено комплексное исследование термодинамических свойств плотных плазм водорода и дейтерия. Рассчитан целый ряд термодинамических величин, согласующихся с доступными экспериментальными и теоретическими данными. Проведены расчеты внутренней энергии и уравнения состояний плазмы в широком интервале температур и плотностей.
3. Получена комбинированная ударная адиабаты дейтерия в широком диапазоне давлений и температур. Адиабата получена объединением результатов двух совершенно независимых методов расчетов. Адиабата проходит примерно
4
посередине между двумя сильно различающимися массивами экспериментальных данных.
4. С помощью расчетов ММК обнаружена возможность фазового перехода первого рода водорода и дейтерия из атомарно-молекулярного в металлизированное состояние. Параметры возможного фазового перехода согласуются с результатами новых экспериментов, в которых наблюдался фазовый переход в дейтериевой плазме. Кроме того, при этих же значениях термодинамических параметрах в ударно-волновых экспериментах наблюдался рост проводимости плазмы на несколько порядков.
5. Предсказано возникновение протонного кристалла в условиях соответствующих ядрам умирающих звезд, что согласуется с известными из литературы оценками.
6. Проведен анализ результатов трехмерного моделирования ММК двухкомпонентной плотной плазмы в широкой области плотностей, температур и отношения масс положительных зарядов и электронов (1 < М = т/1/те < 2000), что соответствует, например, электронно-позитронной, полупроводниковой и обычной (водородной) плазмам. Проведено численное исследование свойств плотной сильно взаимодействующей электронно-дырочной плазмы полупроводников. Расчеты ММК фазовой диаграммы для квантовой электронно-дырочной плазмы германия продемонстрировали в соответствующих условиях появление и распад экситонов (аналог атомов), биэкситонов (аналог молекул), а при увеличении плотности электронов и дырок возникновение фазового перехода первого рода и появление электронно-дырочных металлизированных кластеров и капель, хорошо известных в литературе из экспериментальных наблюдений.
7. Были выполнены расчеты коэффициента ионизации экситонов и коэффициента диссоциации биэкситонов для электронно-дырочной плазмы в кристаллических смесях ТтпБб^^Тео.55. Проведенные расчеты обнаружили также термодинамическую неустойчивость электронно-дырочной плазмы в области появления аномалий теплопроводности и термодиффузии, которые наблюдались экспериментально.
8. При увеличении концентрации электронно-дырочной плазмы обнаружено возникновение кристалла из дырок достаточно большой эффективной массы.
5
Электроны при этом образуют сильно вырожденный электронный газ, имеющий зонную энергетическую структуру.
9. Обнаружено квантовое плавление кулоновского кристалла дырок. Плавление, при уменьшении эффективной массы дырок, связано с ростом пространственной неопределенности в положении дырок, выстроенных в кристаллическую решетку. Рассчитано критическое значение массы дырок, при котором еще возможно существование кристалла. Рассчитана фазовая диаграмма электронно-дырочной системы с переменной массой дырок.
10. Обнаружена трансформация кристалла дырок в антиферромагнитную кристаллическую структуру, в которой дырки с одинаковым спином образуют кристаллические решетки. Две такие решетки, соответствующие двум значениям спина, вложены друг в друга. Каждая из решеток образуется за счет сильного ферми-отталкивания дырок с одинаковым спином.
11. Проведено квантовое обобщение классического метода молекулярной динамики. Показано, что как следует из вигнеровской формулировке квантовой механики, движение взаимодействующих квантовых частиц может быть описано ансамблем непрерывных и кусочно-непрерывных траекторий в фазовом пространстве, что согласуется с принципами неопределенности импульс-координата и энергия-время. Подход развит для канонического и микрокаионического ансамблей.
12. С помощью квантового обобщения метода молекулярной динамики исследовано влияние межэлектронного взаимодействия на подвижность электронов в одномерных плазменных средах. Показано, что увеличение параметра межэлектронного взаимодействия приводит к росту подвижности электронов и увеличению статической электронной проводимости. Данный корреляционный эффект, в конечном счете, может разрушить локализацию электронов, доказанную Андерсоном для невзаимодействующих электронов в одномерной среде случайных тяжелых рассеивателей.
Научная и практическая ценность. Развитые в работе новые методы расчета термодинамических и переносных свойств могут быть использованы широким кругом исследователей, занимающихся стохастическим моделированием произвольных квантовых сильно взаимодействующих систем частиц.
6
- Київ+380960830922