Dusty plasmas are unusual states of matter where the interactions between the dust grains can be collective and are not a sum of all pair particle interactions. This state of matter is appropriate to form non-linear dissipative collective self-organized structures. It is found that the potential around the grains can be over-screened leading to a new phenomenon—collective attraction of pairs of large charge grains of equal sign. The grain clouds can self-contract and their collapse is terminated at distances where the interaction becomes repulsive. The homogeneous dusty plasma distribution is universally unstable to form structures. The potential of the collective attraction is proportional to the square of the dimensionless parameter P = ndZd/ni, where nd and ni are the average dust and ion densities, respectively, and Zd is the dust charge in units of electron charge. The collective attraction is determined by finite grain size and by the presence of absorption of plasma flux on grains. The physics of attraction is related to the space charge accumulation caused by collective flux disturbances. The collective attraction operates for systems with size larger than the mean free path for ion–dust absorption, the condition met in many existing low temperature dusty plasma experiments, in edge plasmas of fusion devices and in space dusty plasmas. The collective attraction exceeds the previously known non-collective attraction such as shadow attraction or wake attraction. The collective attraction can be responsible for pairing of dust grains (this process is completely classical in contrast to the known pairing in superconductivity) and can serve as the main process for the formation of more complicated dust complexes up to dust-plasma crystals. The equilibrium structures formed by collective attraction have universal properties and can exist in a limited domain of parameters (similar to the equilibrium balance known for stars). The balance conditions for dust structures include not only the pressure effects but also the ion drag, grain charging and collective plasma flux effects. The non-linear effects in collective attraction are relatively small for astrophysical conditions and for edge fusion plasmas. For plasmas used in plasma etching and in plasma crystal experiments the non-linear effects in attraction are important. The distance between the grains for the first attraction well is in rough agreement with the observed separation of grains in dust-plasma crystals. The results of the numerical simulations of the final stationary configurations with appropriate wall boundary conditions are in rough agreement with recent results of structure observation in the experiments on the International Space Station.
ダストプラズマは、ダスト粒子間の相互作用が集団的であり、すべての粒子対相互作用の和ではないという特異な物質状態である。この物質状態は、非線形散逸性の集団的自己組織化構造を形成するのに適している。粒子周囲のポテンシャルは過遮蔽され得ることが見出され、これにより同符号の大きな電荷を持つ粒子対の集団的引力という新たな現象が生じる。ダスト粒子雲は自己収縮し得るが、その崩壊は、相互作用が斥力となる距離で終端される。均一なダストプラズマ分布は、構造を形成するために普遍的に不安定である。集団的引力のポテンシャルは、無次元パラメータP = ndZd/niの二乗に比例する。ここで、ndとniはそれぞれ平均ダスト密度と平均イオン密度であり、Zdは電子電荷単位でのダスト電荷である。集団的引力は、有限の粒子サイズと、粒子へのプラズマフラックスの吸収の存在によって決定される。この引力の物理は、集団的フラックス擾乱によって引き起こされる空間電荷蓄積に関連している。集団的引力は、イオン–ダスト吸収の平均自由行程よりも大きいサイズの系で作用する。この条件は、多くの既存の低温ダストプラズマ実験、核融合装置の周辺プラズマ、および宇宙ダストプラズマにおいて満たされる。集団的引力は、影の引力や後流の引力など、既知の非集団的引力を上回る。集団的引力は、ダスト粒子の対形成の原因となり得る（この過程は、超伝導における既知の対形成とは対照的に、完全に古典的である）。また、これは、ダストプラズマ結晶に至るまで、より複雑なダスト複合体の形成の主要な過程として機能し得る。集団的引力によって形成される平衡構造は普遍的な特性を持ち、限られたパラメータ領域でのみ存在し得る（これは、恒星で知られる平衡バランスに類似している）。ダスト構造の平衡条件には、圧力効果だけでなく、イオン抗力、粒子帯電、および集団的プラズマフラックス効果も含まれる。集団的引力における非線形効果は、天体物理学的条件および核融合周辺プラズマでは比較的小さい。一方、プラズマエッチングやダストプラズマ結晶実験で用いられるプラズマでは、引力における非線形効果が重要である。第一引力井戸における粒子間距離は、ダストプラズマ結晶で観測される粒子間隔とおおよそ一致する。適切な壁境界条件を用いた最終定常構造の数値シミュレーション結果は、国際宇宙ステーションでの構造観測の最近の結果とおおよそ一致する。