Dokument: Glass Transition and Dynamics of Suspended Charged Particles

Titel:	Glass Transition and Dynamics of Suspended Charged Particles
Weiterer Titel:	Glassübergang und Dynamik freischwebender geladener Teilchen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=36511
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20151208-090950-7
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Yazdi, Anoosheh [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,80 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 07.12.2015 / geändert 07.12.2015
Beitragende:	Priv.-Doz. Dr. Ivlev, Alexei [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Löwen, Hartmut [Gutachter]
Stichwörter:	glass transition, Yukawa potential, charged particles, nonergodicity parameter, structure factor, velocity dependent friction
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	In this thesis we investigate the glass transition and dynamic properties of suspended mesoscopic charged particles in equilibrium and nonequilibrium conditions. The glass transition curves of a single and double Yukawa potential model system in 3D are obtained using mode-coupling theory. In the potential parameters plane the glass transition curves are found to be parallel to the melting curves and follow similar analytical formulas. The glass transition properties of the Yukawa model system change between two limits; the one-component plasma and the hard sphere limit. It is shown that in the limit of one-component plasma the nonergodicity parameter approaches zero in the small wave number region with a quadratic behavior. The glass transition of a two-dimensional confinement of charged particles is studied by mode-coupling theory considering two models of the interaction potentials; the Yukawa interaction, and the Kompaneets potential. The Yukawa interaction can model the system when the charged particles are levitating in an isotropic bath of ions. However it frequently occurs that in complex plasma, the charged particles are levitating atop an electrode which causes the ions to stream downwards. The downstream of the ions is focused by the charged particles attraction. This causes anisotropic distribution of the ions which gives rise to the Kompaneets potential interaction. We calculate and compare the mode coupling predictions for both systems in an experimentally relevant parameter region. It is shown that in the one-component plasma limit in 2D, the nonergodicity parameter approaches zero with a linear behavior in the small wave number regime. Simulations have shown that the structure factor of a jammed state of monodisperse packing, approaches zero with a linear behavior. In contrast to the simulations, the liquid state theory predicts that the structure factor of the same system approaches a non-zero value with a quadratic behavior in the small wave number region for any value of the packing fraction. We use a long range potential gamma/r^2 to successfully introduce the linear behavior of the structure factor observed in the simulation into the liquid state theory. We consider a system in which energy is pumped into the Brownian particles causing negative values of friction. This can occur for example in complex plasma through the absorption of the ions by the dust particles. Starting from a Langevin equation with a Rayleigh type velocity dependent friction, the time evolution operators are developed which in case of noninteracting particles leads to a non-Gaussian velocity distribution. It is shown that for a constant effective temperature the higher the noise strength, the lower the probability of finding the active particle in the system. Using the Mori-Zwanzig formalism and the mode coupling approximation the equation of motion for the density auto-correlation function is derived. The integration through transients approach is used to derive a relation between the structure factor in the stationary state considering the interacting forces, and the conventional equilibrium static structure factor. In dieser Doktorarbeit untersuchen wir den Glasübergang und dynamische Eigenschaften suspendierter mesoskopischer geladener Teilchen sowohl unter Gleichgewichts- als auch unter Nichtgleichgewichtsbedingungen. Die Glasübergangskurven sowohl für ein Single-Yukawa Potential als auch für ein Double-Yukawa Potential Modellsystem in drei Dimensionen werden mit Hilfe der Modenkopplungstheorie bestimmt. Es stellt sich heraus, dass die Glasübergangskurven innerhalb der Parameterebene parallel zu den jeweiligen Schmelzkurven liegen und ähnlichen analytischen Formeln folgen. Die Eigenschaften des Glasübergangs des Yukawa Modellsystems variieren zwischen zwei Grenzfällen: Dem Grenzfall des Einkomponenten-Plasmas und dem Grenzfall harter Kugeln. Es wird gezeigt, dass sich der Nicht-Ergodizitäts-Parameter im Grenzfall des Einkomponenten-Plasmas im Bereich kleiner Wellenzahlen quadratisch Null annähert. Der Glasübergang eines auf zwei Dimensionen eingeschränkten Systems geladener Teilchen wird mit Hilfe der Modenkopplungstheorie unter Berücksichtigung zweier verschiedener Modelle des Wechselwirkungspotentials untersucht: Des Yukawa Potentials und des Kompaneets Potentials. Das Yukawa Potential eignet sich zur Modellierung eines Systems innerhalb eines isotropischen Ionenbades levitierter geladener Teilchen. Andererseits werden die geladenen Teilchen in komplexem Plasma häufig oberhalb einer Elektrode levitiert, was dazu führt, dass die Ionen abwärts strömen. Dieser abwärts gerichtete Ionenstrom wird dabei durch die Anziehung der geladenen Teilchen fokussiert, was zu einer anisotropen Verteilung der Ionen führt, die wiederum zu einem Kompaneets Wechselwirkungspotential führt. Wir berechnen und vergleichen die Voraussagen der Modenkopplungstheorie für beide Modelle innerhalb eines aus experimenteller Sicht relevanten Parameterbereiches. Es wird gezeigt, dass sich der Nicht-Ergodizitäts-Parameter im Grenzfall des Einkomponenten-Plasmas im Bereich kleiner Wellenzahlen linear Null annähert. Simulationen haben gezeigt, dass der Strukturfaktor innerhalb eines monodispersen, dicht gepackten („jammed“) Systems sich linear einem Wert von Null annähert. Im Gegensatz dazu sagt die Ornstein-Zernike Gleichung voraus, dass sich der Strukturfaktor desselben Systems für alle Packungsdichten im Bereich kleiner Wellenzahlen dem Wert von Null quadratisch annähert. Wir benutzen das langreichweitige Potential gamma/r^2, um das in Simulationen beobachtete lineare Verhalten des Strukturfaktors in analytischen Berechnungen erfolgreich zu reproduzieren. Wir betrachten ein System Brownscher Teilchen, in das Energie so hineingepumpt wird, dass negative Reibungen auftreten. Diese können z.B. in komplexem Plasma durch die Absorption von Ionen durch Staubpartikel auftreten. Beginnend von einer Langevin Gleichung mit einer Rayleigh-artigen geschwindigkeitsabhängigen Reibung werden Zeitentwicklungsoperatoren hergeleitet, was im Falle nicht wechselwirkender Teilchen zur einer nicht-gaußschen Geschwindigkeitsverteilung führt. Es wird gezeigt, dass bei einer konstanten effektiven Temperatur die Wahrscheinlichkeit, ein aktives Teilchen im System aufzufinden umso geringer ist, je höher die Stärke des Rauschens ist. Mit Hilfe des Mori-Zwanzig Formalismus und der Modenkopplungsnäherung wird die Bewegungsgleichung für die Dichteautokorrelationsfunktion hergeleitet. Der Integration Through Transients (ITT) Ansatz wird benutzt um eine Relation zwischen dem Strukturfaktor im stationären Zustand unter Berücksichtigung der Wechselwirkungskräfte einerseits sowie dem konventionellen statischen Strukturfaktor im Gleichgewicht andererseits herzuleiten.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	08.12.2015
Dateien geändert am:	08.12.2015
Promotionsantrag am:	20.08.2015
Datum der Promotion:	30.10.2015