Complex plasmas are plasmas containing solid particles typically in the micrometer range. These microparticles are highly charged and become an additional, dominating component of the plasma. Complex plasmas are model systems to study strong coupling phenomena in classical condensed matter. They offer the unique opportunity to go beyond the limits of continuous media down to the fundamental length scale of classical systems—the interparticle distance—and thus to investigate all relevant dynamic and structural processes using the fully resolved motion of individual particles, from the onset of cooperative phenomena to large strongly coupled systems. Unlike 'regular' plasma species the charged microparticles are strongly affected by gravity. An electric field in the sheath or a temperature gradient are usually employed to compensate for gravity, which provides favorable conditions to study two-dimensional or stressed three-dimensional (3D) systems on ground. However, in order to perform precision measurements with large isotropic 3D systems in the bulk plasma, microgravity conditions are absolutely necessary. Since 2001, this research under microgravity conditions has continuously been performed on board the International Space Station ISS within the Russian/German(European) Plasmakristall(PK)-Program. In the long-term research laboratories PKE-Nefedov (2001–2005), PK-3 Plus (2006–2013) and PK-4 (2014-ongoing), fundamental processes in liquid or crystalline complex plasmas as well as basic complex plasma issues were addressed. Highlights are: refinement of the theories of particle charging and ion drag, electrorheological plasmas, lane formation and phase separation in binary mixtures, crystallization and melting, wave propagation, shear flow and transition to turbulent motion. In this review, we will address results from microgravity research and discuss the perspectives for future studies.
複雑プラズマは、典型的にはマイクロメートルサイズの固体粒子を含むプラズマである。これらの微粒子は高電荷を帯び、プラズマの追加的かつ支配的な構成要素となる。複雑プラズマは、古典凝縮系における強結合現象を研究するためのモデル系である。それらは、連続媒質の限界を超え、古典系の基本長さスケールである粒子間距離にまで踏み込む独自の機会を提供し、それによって、協同現象の発生から大規模な強結合系に至るまで、個々の粒子の完全に分解された運動を用いて、関連するすべての動的および構造的プロセスを調査することを可能にする。通常のプラズマ種とは異なり、帯電微粒子は重力の影響を強く受ける。シース内の電場または温度勾配が、通常、重力を補償するために用いられ、これにより、2次元系または応力のかかった3次元(3D)系を地上で研究するための好都合な条件が提供される。しかしながら、バルクプラズマ中の大きな等方性3D系を用いた精密測定を行うためには、微小重力条件が絶対的に必要である。2001年以来、この研究は国際宇宙ステーション(ISS)において、ロシア/欧州のプラズマ結晶(PK)プログラムの枠組みで継続的に実施されてきた。長期研究実験室であるPKE-Nefedov(2001–2005)、PK-3 Plus(2006–2013)、およびPK-4(2014–継続中)において、液体状または結晶状の複雑プラズマにおける基本プロセスと、複雑プラズマの基礎的な諸問題が扱われてきた。主な成果は、粒子帯電とイオン抗力の理論の精密化、電気粘性プラズマ、二成分混合物におけるレーン形成と相分離、結晶化と融解、波動伝播、せん断流、および乱流運動への遷移である。本レビューでは、微小重力研究から得られた結果を取り上げ、今後の研究の展望について議論する。