ذرات باردار شناور در یک پلاسما به طور خود‌به‌خود مایعی دو‌بعدی شامل حوزه‌های کوچک منظم را تشکیل می‌دهند که روی یکدیگر می‌لغزند و می‌توانند حرکات در مایعات واقعی را تقلید کنند. یک مایع نزدیک دمای انجمادش بسیار بی‌نظم است به‌گونه‌ای‌که از حوزه‌های کوچکی با ابعاد کریستال‌مانند تشکیل شده‌ است. برای درک این موضوع که این نواحی چطور جا‌بجا شده و  روی یکدیگر می‌لغزند، پژوهشگران در مجله Physical Review Letters گزارشی منتشر کرده‌اند مبنی بر اینکه ذرات شناور را در یک پلاسمای محدود به دو بعد، سیستمی که مانند یک مایع دو بعدی رفتار می‌کند، ردیابی کرده‌اند. این تیم چندین نوع بازآرایی که در حوزه‌های کریستال‌مانندِ تشکیل شده اتفاق می‌افتد، بیان کرده است. در حالی‌که ارتباط رفتار ماده بین دو بعد و سه بعد هنوز نامشخص باقی‌مانده است، این تیم بیان می‌کند که نتایج آن‌ها به طور کلی یک گام به سمت جلو جهت درک بهتر این پدیده برمی‌دارد.

C. Yang et al., Phys. Rev. Lett. (2012)

نمایش دیجیتال ایجاد شده توسط عکس‌های واقعی مایع دو بعدی که از ذرات شناور در داخل یک پلاسما ساخته شده است. یک ذره در هر رٱس قرار دارد و رنگ‌ها میزان چرخشی را که هر دسته در طی یک دوره 7 ثانیه‌ای تجربه می‌کنند، نشان می‌دهد. بر خلاف 6 همسایه معمول، مثلث‌ها و مربع‌های کوچک به ترتیب ذراتی با 5 و 7 همسایه رانشان می‌دهند. این ذرات تکه‌های منظمی را تشکیل می‌دهند با مرزهایی که به طور مداوم به واسطه حرکت و چرخش این تکه‌ها تغییر پیدا می‌کنند.

آزمایش‌هایی که بازآرایی اتمی درون یک جامد بلورین را بررسی می‌کند، از چندین دهه قبل در دسترس بوده اند. اما برای مواد بی‌نظمی مانند مایعات این بررسی‌ها عمدتاً به جای بازآرایی‌های موضعی ناگهانی در اطراف اتم‌های منفرد، میانگین‌های آماری آن‌ها را بیان می‌کند. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری می‌توانند این جزئیات میکروسکوپی را نشان دهند اما استفاده از آن‌ها در سیستم‌های حقیقی که شامل هزاران اتم هستند، دشوار است.

برای غلبه بر این محدودیت‌ها آزمایشگران به سیستم‌های مدل‌سازی متشابه تمایل پیدا کرده‌اند به گونه‌ای که نقش اتم‌ها را ذرات بسیار بزرگتری که به طور مستقیم دیده می‌شوند، ایفا می‌کنند. این ساده‌ترین راه است برای اینکه ببینیم در سیستم‌های مدل دو بعدی چه اتفاقی می‌افتد. این اتفاق ممکن است با مایعات حقیقی سه بعدی از بعضی جنبه‌های مهم تفاوت داشته باشد اما هم‌چنان می‌تواند نمایش جالبی از این پدیده باشد. برای مثال آزمایش‌هایی که در مورد تعلیق ذرات پلاستیک با ابعاد میکرونی در مایعی بین صفحات شیشه‌ای بکار می‌روند، نشان می‌دهند که این ذرات می‌توانند فازهای دو بعدی منحصر به فردی را تشکیل دهند، همان‌طور که توسط نظریه‌پردازان نیز پیش‌بینی شده است. در دهه گذشته پژوهشگران بسیاری ذرات مشابهی را درون پلاسما تعبیه کرده‌اند که جنبش آن‌ها به دلیل گرانروی پایین، بسیار شبیه به یک ذره آزاد است.

لین‌ من و تیمش در دانشگاه مرکزی ملی تایوان از ذراتی با قطر هفت میکرون درون یک پلاسما، که توسط گاز آرگونِ رقیق و با استفاده از فرکانس رادیویی یک میدان الکتریکی ایجاد شده است، استفاده کرده‌اند. این ذرات، باردار شده و یکدیگر را دفع می‌کنند اما هنوز صدها زنجیره عمودی را تشکیل می‌دهند که چندین میلی‌متر بالای صفحه فلزیِ افقی که به عنوان الکترود بکار می‌رود، معلق هستند. این زنجیره‌ها به طور جداگانه و افقی مانند میله‌های عمودی جامدی حرکت می‌کنند و یک مایع دو بعدی از ذرات دافع را تشکیل می‌دهند.

من و تیمش حرکات میله‌های منفرد را طی ثانیه‌های زیادی با استفاده از یک دوربین دیجیتال ردیابی کرده‌اند. در مقایسه با کارهای قبلی، آن‌ها بازآرایی‌ها را طی زمان طولانی‌تری دنبال و حرکات را با جزئیات بیشتری تحلیل کرده‌اند. این تیم فواصل و زاویه‌های بین میله‌های مجاور را به خوبیِ تعداد همسایه‌ها برای هر میله محاسبه کرده‌اند. این تحلیل‌ها به آن‌ها اجازه داد تا انواع مختلف بازآرایی‌هایی را که از تغییر مداوم ساختار مایع ناشی می‌شود، بیان کنند. در بسیاری از حوزه‌ها، میله‌ها تکه‌های موضعی مرتب‌ شده‌ای با شبکه مثلثی تشکیل می‌دهند که هر میله تنها می‌تواند درون قفس شش‌گوش ایجاد شده به واسطه همسایه‌هایش آهسته حرکت کند. تکه‌های منفرد هم‌چنین می‌توانند مانند جسم صلب بچرخند یا تغییر مکان دهند. من می‌گوید: «آن مانند یک پارچه چهل‌تکه است اما هر تکه چندان قوی نیست و با برانگیختگی گرمایی شکسته می‌شود.»

پژوهشگران دو نوع مرز بین تکه‌های در حال حرکت شناسایی کرده‌اند. در نوع اول همه میله‌ها هم‌زمان به مقدار بیشتر یا کمتری در یک جهت حرکت می‌کنند. در نوع دوم میله‌ها ی در طرف دیگر خط حرکت، در جهت‌ مخالف حرکت می‌کنند. این بزرگراه دو خطه برای مثال در مرز بین تکه‌های کوچکی که هر دو در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخند، اتفاق می‌افتد. آن‌ها دریافتند زمانی که این تکه‌ها توسط نیروهای خارجی به چرخش وادار می‌شوند، به تکه‌های در حال چرخش کوچکتری تقسیم شده و زمانی عاقبت از چرخش باز می‌ایستند و دوباره به یکدیگر متصل می‌شوند و تکه بزرگتری را ایجاد می‌کنند. این پژوهشگران معتقدند که شکسته‌شدن به این طریق به‌جای چرخش یک بلوک منفرد بزرگ، این امکان را به مایع می‌دهد که به راحتی در برابر نیروهای چرخشی خارجی عکس‌العمل نشان دهد.

فرانک استیلینگر از دانشگاه پرینستون که مدت‌ها قبل روی همین موضوع کار می‌کرد، می‌گوید: «من واقعاً مجذوب جزئیاتی شدم که این گروه توانسته است نشان دهد. این اطلاعات واقعی است. اما هنوز مشخص نشده است که چه جنبه‌هایی از این سیستم دو بعدی به طور مشابه در مورد سیستم‌های سه بعدی نیز قابل استفاده است.»

منبع: http://physics.aps.org/articles/v5/133