Emergence of collective effects in complex plasmas

Entstehung von kollektiven Effekten in ionisierten Gasen mit eingebetteten Mikroteilchen, sogenannten komplexen Plasmen.

In dieser Doktorarbeit wird die Entstehung von kollektiven Effekten in ionisierten Gasen mit eingebetteten Mikroteilchen, sogenannten komplexen Plasmen, untersucht. Diese werden häufig als Modellsysteme zur Untersuchung einer Vielzahl von emergenten Phänomenen verwendet, da die Teilchen groß genug sind, um direkt abgebildet zu werden.
Basierend auf kürzlich durchgeführten Experimenten in schwerelosen komplexen Plasmen, präsentiere Ich ein theoretisches Modell der Selbstbildung von Tröpfchen, welches den Ausgleich der Ionenwiderstandskraft mit elektrostatischer Abstoßung nutzt um die Bildung stabiler Tröpfchen in komplexen Plasmen zu erklären. Es liefert quantitative Ergebnisse für die Vorhersage der Größe eines stabilen Tröpfchens, die mit den experimentellen Beobachtungen übereinstimmen. Dieses Modell ermöglicht es erstmalig, anhand von Parametern komplexer Plasmen die Struktur und Größe von selbstformenden Tröpfchen vorherzusagen und umgekehrt aus der Größe eines Tröpfchens die Parameter des Plasmas, insbesondere die Elektronentemperatur, abzuleiten. Dies ermöglicht es, die Beobachtung von Tröpfchen als Diagnoseinstrument zur Bestimmung der Plasmaparameter in Experimenten einzusetzen.
Darüber hinaus untersuche ich in dieser Arbeit mit Hilfe von Simulationen komplexer Plasmaströmungen um ein kugelförmigen Hindernis weitere kollektive Flüssigkeitseffekte wie Stoßwellen und Turbulenz. Diese Doktorarbeit ist eine der ersten systematischen teilchenaufgelösten Untersuchungen der Turbulenz. In dieser zeige ich, dass die Bildung von Stoßwellen für das Einsetzen von Turbulenz in gedämpften Systemen notwendig ist. Durch die Simulation einer Überschallströmung können Stoßwellen wie Mach-Kegel und Bugschocks vor und hinter dem Hindernis wiederholbar erzeugt werden. Erstmalig demonstriere ich in dieser Arbeit die Entstehung doppelter Bugschocks, ähnlich wie sie in astrophysikalischen Plasmen beobachtet werden, in Simulationen von komplexen Plasmen. In Bereichen, in denen Partikel direkt in eine Schockfront hinein strömen, löst unter bestimmten Bedingungen die erhöhte Teilchenanzahldichte - und damit die größere Stärke der Wechselwirkungen - das Einsetzen von Turbulenz aus. Ich zeige, dass das Einsetzen von Turbulenz in den Simulationen von Parametern wie der Partikelladung und der Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Durch Änderung eines dieser beiden Parameter konnte ich in zunächst laminaren Simulationen Turbulenz wiederholbar induzieren. Beide Parameter können experimentell kontrolliert werden, so dass die Simulationen das Auftreten von Turbulenz in komplexen Plasmen selbst unter dem Einfluss von Dämpfung vorhersagen und kontrollieren können.
Schließlich untersuche ich das Auftreten von elektrorheologischen Effekten durch die Bildung von ,,string-like clusters'' (SLCs). Ich reproduziere mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen qualitativ Ergebnisse aus Mikrogravitationsexperimenten, die die Bildung, Zerstörung und Rekristallisation von Mikropartikel-SLCs zeigten. Ich verwende die Simulationen, um zu zeigen, dass keine effektive langreichweitige Anziehungskraft zwischen den Teilchen erforderlich ist, um SLCs zu bilden. Die ausgezeichnete qualitative Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation belegt, dass effektive langreichweitige Anziehung zwischen Teilchen keine Voraussetzung für elektrorheologische Effekte in komplexen Plasmen ist.

Insgesamt erweitert diese Arbeit das Wissen darüber, wie kollektive Effekte in komplexen Plasmen unter einer Vielzahl von Bedingungen entstehen.