氷のようなプラズマ粒子が新たなダイナミクスを示す(Icy Hot Plasmas: Fluffy, Electrically Charged Ice Grains Reveal New Plasma Dynamics)

2025-12-05 カリフォルニア工科大学 (Caltech)

Caltechの研究チームは、極低温プラズマ中で「氷粒子(ice grains)」が自発的に生成され、その氷粒子が非常に“フワフワ”(多孔質・フラクタル構造)で、これまでの「固い球状粒子とはまったく異なる運動挙動」を示すことを実験で明らかにした。実験では、水蒸気を注入した冷却されたプラズマ環境下で、荷電電子およびイオンが混在する中、氷粒子が成長。粒子は負に帯電し、質量に対する電気力の割合(電荷対質量比)が非常に高いため、重力ではなく電気力が運動を支配。結果として、氷粒子は沈降せず、室内で浮遊しながら渦や回転など複雑な動きを長時間維持した。これにより、これまでのプラズマ物理の定性モデル(球状粒子想定)では説明できない「新たなプラズマ‐粒子相互作用」のダイナミクスが存在することが示された。この発見は、宇宙空間の氷ダストの振る舞いや、半導体製造など工業プラズマ中の微粒子制御といった応用にもつながる可能性がある。

氷のようなプラズマ粒子が新たなダイナミクスを示す(Icy Hot Plasmas: Fluffy, Electrically Charged Ice Grains Reveal New Plasma Dynamics)
Ice grains, illuminated by a green sheet of laser light, are suspended in the plasma discharge (purple). Insets show individual ice grains imaged with 20x magnification.Credit: Bellan Plasma Group/Caltech

<関連情報>

極低温プラズマ中のフラクタル氷粒子のダイナミクス Dynamics of Fractal Ice Grains in Cryogenic Plasmas

André Nicolov, Seth Pree, and Paul M. Bellan
Physical Review Letters  Published: 3 November, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/rx5l-k7f9

Abstract

Ice grains formed in a cryogenically cooled plasma exhibit fractal morphologies that drive distinct collective dynamics. By measuring and quantifying the dynamics of these grains in a plasma afterglow, we observe a new fundamental dynamical regime induced by fractal scalings of ice mass and collisional cross section. In this regime, grains become more coupled to flows of gas and ions as they get larger, while the influence of gravity remains comparatively small, even as the grains reach millimeter sizes. These dynamics are unattainable by compact spheres, and thus inaccessible to dusty plasma models that assume spherical grains, challenging models for systems ranging from laboratory nanoparticle synthesis to astrophysical dust transport.

1701物理及び化学
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