ダストプラズマ

ダストプラズマ（dusty plasma、複合プラズマとも呼ばれる）とは、電子・イオンに加えて、比較的大きな荷電した微粒子（ダスト粒子、典型的にはナノメートルからマイクロメートル程度の固体粒子）を含むイオン化気体のことである。通常のプラズマでは電子とイオンという二種類の荷電粒子が主役だが、ダストプラズマでは第三の成分としての微粒子がプラズマ全体の電荷収支や集団運動に本質的な役割を果たす。微粒子は質量がイオンより桁違いに大きく、また大きな電荷を帯びるため、その運動はゆっくりとしており、しかも粒子間クーロン相互作用が強く効く。このためダストプラズマは、流体としてのプラズマ物理と、強相関系としての凝縮物質物理とを結ぶ例外的な舞台となっており、実験室で「粒子一つ一つが見えるプラズマ」として観測できるほぼ唯一の系である。半導体製造プラズマプロセス中の粒子汚染という工学的動機と、惑星環や星間雲という宇宙物理学的動機の両面から、1990年代以降急速に研究が進んだ。

定義と帯電

ダスト粒子がプラズマ中で帯電するのは、粒子表面への電子とイオンの衝突電流の釣り合いによってである。電子はイオンより熱速度がはるかに大きいため、孤立した粒子はまず電子を多く受け取り、負に帯電する。帯電が進むと粒子の負電位が電子を反発させ、やがて電子電流とイオン電流が釣り合った浮遊電位で飽和する。この結果、粒子一つが基本電荷で数千から数十万程度の負電荷を担うことも珍しくない。帯電は静的な性質ではなく、プラズマ中の電流変動に応じて常に揺らいでおり、この帯電ダイナミクスはダスト粒子間の有効な相互作用そのものを変える。実際、帯電過程を考慮した統計論的な解析や数値シミュレーションから、見かけの遮蔽クーロン相互作用を超える粒子間の有効引力が生じうること、それによってダスト結晶の形成が説明されうることが示されている。

帯電のもう一つの重要な帰結は、ダスト粒子がプラズマの電子・イオン密度のバランスを変えることである。負に帯電した粒子が多数存在すると、準中性条件は n_i = n_e + Z_d n_d（イオン密度 n_i、電子密度 n_e、ダスト電荷数 Z_d、ダスト密度 n_d）のように書き換えられ、電子密度がイオン密度を大きく下回りうる。さらに二次電子放出や紫外線による光電子放出、粒子同士の衝突による電荷移動といった過程が加わると、粒子が正に帯電する場合や、同一のプラズマ中に正負両方の電荷を持つ粒子種が共存する場合も起こる。帯電状態はこのようにプラズマ条件に敏感であり、ダストプラズマの波動や不安定の性質を大きく左右する。

ダスト粒子に働く力と浮上

ダスト粒子はプラズマ中でいくつかの力を同時に受ける。最も基本的なのは電場による力で、荷電粒子である以上、シース電場や波動電場から直接加速される。次に重要なのがイオン引き力（イオンフォーカシング、あるいは下流側の負の空間電荷による引力）である。負に帯電した粒子の周りにはイオンが集まるため、イオン流が存在すると粒子の下流側にイオン密度の濃い「影」ができ、これが上流の粒子を引き寄せる。これは重力による「影」の力（アシンメトリックな粒子間引力）と並んで、粒子間に非対称な引力を与える機構であり、粒子の整列や縦列構造の形成に寄与する。さらに中性ガスとの摩擦（中性ガス抵抗）、熱泳動力、イオン流による抗力なども、粒子の運動を定める上で無視できない。

重力は地上実験で最も厄介な外力である。マイクロメートル級の粒子は質量が大きいため重力の影響を強く受け、低圧放電ではシース中の電場と重力の釣り合いで粒子がシース端に浮上する。このため地上実験では、重力と電場力が釣り合う薄い層に粒子が閉じ込められ、観測可能な領域が本質的に制限される。重力はまた粒子をサイズで分級する作用でもあり、粒径分布がある場合には空間的な分離を引き起こす。この重力の制約を外したのが微小重力下での実験であり、後述するように宇宙空間でのダストプラズマ研究の大きな動機となっている。

強相合ダストプラズマとプラズマ結晶

ダストプラズマを特別なものにしている最大の性質は、強いクーロン相関である。粒子間のクーロンエネルギーを粒子の熱運動エネルギーで割った無次元量（結合パラメータ）が、通常のプラズマではずっと 1 以下であるのに対し、ダスト粒子では電荷が大きく質量が大きいため容易に 1 を超え、数十から数千に達する。この領域では粒子はもはや自由に動くことができず、液体、さらに結晶として振る舞う。いわゆるダスト（プラズマ）結晶は、荷電粒子が遮蔽クーロンポテンシャルを介して作る規則的な格子であり、粒子の散乱光を顕微鏡的にとらえることで、格子一つ一つ、その熱揺らぎや融解の過程までを直接可視化できる。小粒子数の系では、古典的な原子模型そのもののクーロンクラスター（殻構造を持つ有限系）が実現し、古典原子論の模型実験としても機能する。

強相合系としてのダストプラズマは、秩序から無秩序への移行を粒子的に追える点で凝縮物質物理と直結する。融解した「ダスト液体」では渦的な励起や異常拡散が観測され、さらに粘弾性的なモード、すなわち流体と固体の中間的な周波数依存の応答が理論・シミュレーションの両面で研究されている。磁場を印加した強相合系や、流れの中での熱輸送（微小重力下の流動する複合プラズマでの熱輸送実験など）も、この系の輸送現象として活発に調べられている。分子動力学計算と流体モデルの比較による流動構造の研究は、強相合ダストプラズマが連続流体としても記述できることを示す一例である。また、有限な二次元ダスト結晶に試験粒子を入れて微視的な構造変化を調べる実験や、外部から秩序構造を与えた中での準離散的な粒子運動の観測など、物質科学的手法がそのまま持ち込まれている。

ダスト音響波と非線形構造

ダストプラズマには、通常のプラズマにはない低周波の固有モードがある。代表がダスト音響波（dust acoustic wave）である。これは、ダスト粒子の密度摂動が、電子とイオンの圧力（およびダスト粒子間の強相合による圧力）によって支えられて伝わる波であり、位相速度はダスト粒子の質量が大きいためミリメートル毎秒からセンチメートル毎秒程度と極めて遅い。この遅さが決定的で、波の一周期の運動をそのまま目で追い、動画として記録できる。ダストイオン音響波（イオン音響波にダストの電荷密度変化が絡んだモード）をはじめ、磁化した系での電磁波モードや量子ダストプラズマのモードまで、モードの種類は豊富である。

振幅が大きくなると波は非線形になり、ソリトンや衝撃波を形成する。非等温イオンや非熱的イオン分布、正負両方のイオンが共存する系、二次電子放出による平衡電荷の変化など、プラズマ条件の違いが非線形構造の性質（孤立波の幅・振幅、衝撃波の形成距離など）をどう変えるかが、理論的には既約摂動法などによる解析、実験的には大振幅ダスト音響波の衝撃波への発達過程の観測と一般化流体モデルの数値解との比較によって調べられてきた。波同士の正面衝突や変調不安定といった問題も扱われている。さらに、強相合性が失われた中程度の結合の系では、波動とは独立に、定常で安定なダスト構造（ダスト構造化）が自発的に形成されることがある。ダスト粒子の帯電とイオン流を介した抗力・静電相互作用が媒介となって粒子分布の不安定が生じる機構は、実験室と宇宙の両方のダストプラズマで共通に議論されており、レーリー・テイラー型不安定の発生など、磁化した部分電離ダストプラズマにおける流体不安定とも結びつく。

実験室と微小重力実験

地上の実験室では、低圧の rf 放電や直流放電中に微粒子を注入し、その散乱光をレーザー照明と高速カメラで記録するのが標準的な手法である。粒子成長のそのものを光学診断で追う研究は、プラズマ中でのナノ粒子の生成過程（半導体プロセスの粒子汚染問題とも直結する）を明らかにしてきた。直流放電装置を用いた一連の実験では、大振幅のダスト音響波、その衝撃波への発達、そしてダスト構造化が系統的に観測された。一方、粒子間相互作用や波動の詳細を乱れなく見るには重力が障害になるため、微小重力環境での実験が重要な柱となった。国際宇宙ステーションやミールでの一連の実験（rf 放電を用いるものと、直流・rf 複合放電を用いる長い円筒チャンバのもの）では、重力による応力がないことで、三次元で均質なダスト液体・結晶が得られ、せん断流の層流から乱流への遷移、ノズル流、境界層、衝撃波（ソリトン）の伝搬、粒子のサイズ分離といった流体力学的な現象を粒子的に研究できるようになった。

このようにダストプラズマは、プラズマ物理・凝縮物質物理・流体物理を一つの実験系で結ぶ分野として定着している。粒子一つ一つが観測可能であるという他に類を見ない性質を生かし、相転移、輸送、非線形波動、不安定といった古典的問題を「見える化」する舞台であり続けている。