Пресс-центр

Фотогальванический эффект в пылевой плазме

Аннотация

В природе имеется целый ряд явлений, связанных с генерацией электрических полей, причем механизм этой генерации неизвестен. Это линейные и шаровые молнии, наблюдаемые при вулканических извержениях, электрические поля при взрыве химических взрывчатых веществ, электрические токи в торнадо, электричество шаровой молнии. К этому надо добавить электрические поля в пылевых облаках в атмосфере Земли. Наконец в космосе давно известно такое явление как ориентация межзвездной пыли. Ее приписывают действию магнитного поля, но существующие модели количественно расходятся с наблюдениями. Следует рассмотреть и ориентирующее действие электрического поля на космическую пыль. В этих явлениях есть общее: пылевая плазма или ионизованная пылевая среда. Таким образом, вопрос ставится так: каков может быть механизм генерации электрического поля в пылевой среде?

Ответ приходит из изучения явлений, имеющих место в твердом теле. Это фотогальванический эффект в средах без центра симметрии [например Б.И. Стурман, В.М. Фридкин, Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии и родственные явления, 1992, Наука]. Экспериментально наблюдается, что в некоторых однородных кристаллах при однородном освещении течет постоянный ток. В простейшем случае ток может течь вдоль собственного полярного направления пироэлектрика – вектора его спонтанной поляризации. Ток создается неравновесными (нетермализованными) электронами (или дырками). Имеются три вклада в ток – ток за счет ионизации, за счет поглощения, за счет рассеяния. В условиях равновесия (при отсутствии термализации) эти вклады компенсируются, давая нулевой ток. При отсутствии равновесия возникает отличный от нуля ток.

В настоящее время обсуждается еще один тип фотогальванического эффекта – в искусственно созданных метаматериалах [например PHYSICAL REVIEW X 4, 031038, 2014].

Мы полагаем, что может иметь место еще одна среда, в которой происходит ФГЭ – это пылевая плазма, в которой пылинки состоят из материалов с различной работой выхода электронов. Собственно именно такие пылинки типичны для природных сред, включая межзвездную плазму. При облучении такой среды подходящим светом электроны вылетают с тех мест пылинок, которые имеют малую работу выхода. Эти части заряжаются положительно. Части, с которых эмиссия не происходит, заряжаются отрицательно. Пылинки приобретают дипольный момент. Ориентация пылинок возникает, если к такой среде приложить электрическое поле. При отсутствии равновесия (электроны теряют энергию в столкновении с молекулами газа) имеется ток, по своей природе аналогичный фотогальваническому эффекту в твердом теле. Характерно, что он противоположен току проводимости, имеющемуся всегда в этой среде из-за присутствия электрического поля. При подходящих условиях (большой дипольный момент пылинок, небольшое поле) фотогальванический ток может быть больше тока проводимости, так что суммарный ток является сторонним. Он может усиливать начальное электрическое поле. Таким образом, гипотеза одновременно объясняет механизм усиления электрического поля (в перечисленных выше явлениях) и механизм ориентации пылинок в земных условиях и в космосе.

Проводится компьютерное моделирование явления. Установлено, что действительно ток, противоположный току проводимости возникает при определенных условиях, о которых говорилось – достаточному дипольному моменту пылинки и не слишком большому полю. Проводится также моделирование тока в равновесных условиях – в отсутствие термализации.