（凝聚态物理专业论文）螺旋波斑图和胶体动力学性质研究.pdf

d e c l a r i t i o no n r i g h t s i n t e l l e c t u a l i i i ii i ii iiii i ii ii iii ii y 1714 2 2 2 p r o p e r t y 一 - ih e r e b yd e c a r et h a t t h isr e p r e s e n t sm yo w nr e s e a r c hw o r k u n d e rt h es u p e r v is i o no fp r o f y o u q u a nl ia n dh o n gz h a n g0 f z h e jia n gu niv e r sit y ，c h in a ap a r t f r o mt h es o u r c e sq u o te d ( i n c l u d er e v i e w c h a p t e rw h i c h i sn o t d u p li c a t e d f r o i l r e f e r e n c e s ) ，t h em a t e r i a lo ft h ist h e s ish a sn e i t h e rp r e v i o u s l y in d lu d e dinp u b lic a tio no fa n y o n eels e ，n o rin d lu d e dinath e sis ， o r ad is s e r t a t i o no fa n y o n e1e s es u b m i t t e rf o rad e g r e eo r g u a li f ic a t i o n 知识产权声明 所呈交的硕士学位论文是在李有泉和张宏导师指导下的研究工作 所取得的研究成果。本人郑重声明：( 1 ) 除了第一、二章综述和背景 介绍外，以及文中特别标注引文来源的地方外，论文包括其他人发表 的成果，也不包括他人为获得学位或证书的申请材料中的内容。( 2 ) 综述部分为本人对有关学术f ； 沿文献深入研习后的学习总结，没有从 他人文献抄袭的现象。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 陈江星2 0 0 6 年4 月2 0 日 p t i d t h e s i so fz t m j i a n gu n i v e r s i t y c o n t e n t 摘要 a b s t r a c t c h a p t e r1 i v g e n e r a li n t r o d u c t i o no fp a t t e r nf o r m a t i o ni ne x c i t a b l em e d i aa n dc o l l o i ds y s t e m 1 1 1w h a ti se x c i t a b l es y s t e m 1 1 1c a t e g o r yo f e x c i t a b l em e d i a 一1 1 1 2c h a r a c t e r i s t i cf e a t u r e so fe x c i t a b l em e d i u m 2 1 1 3d i f f e r e n c e sb e t w e e nt r i g g e ra n dc l a s s i cw a v e s 4 1 1 4a p p r o a c h e so fi n v e s t i g a t i o n 4 1 2e l e c t r i cw a v e si nc a r d i a ct i s s u e 5 1 2 1s t r u c t u r ea n de l e c t r i c a le x c i t a t i o na n dc o n d u c t i o np r o c e s si nh e a r t 5 1 2 2t y p e sa n dm e c h a n i s m so fr e e n t r a n tc a r d i a ca r r h y t h m i a s 8 1 3c h e m i c a lw a v ei nr e a c t i o n d i f f u s i o ns y s t e m 1 0 1 3 1t h r e e d i m e n s i o ns c r o l lw a v e 。：1 0 1 3 2d i s p e r s i o nr e l a t i o na n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o n 1 2 1 3 3e x p e r i m e n t a ls t u d yo f s p i r a lw a v e s 1 3 1 3 4m e a n d e r i n go fs p i r a lw a v e 1 4 1 4a no v e r v i e wo fc o l l o i ds y s t e m 1 5c o m p l e x i t yi nc o l l o i ds y s t e m s 1 6p a t t e r nf o r m a t i o na n dp h a s eb e h a v i o ro fc o l l o i do nt w o d i m e n s i o n a lp e r i o d i c s u b s t r a t e s b i b l i o g r a p h y c h a p t e r 2 3 l r e c e n tp r o g r e s so ns t u d i e so fs p i r a lw a v e sa n dc o l l o i dd y n a m i c s 3 5 3 5 2 1d r i f to fs p i r a lw a v ei n d u c e db ye l e c t r i cf i e l d 3 6 2 1 1d r i f ti n d u c e db yd ee l e c t r i cf i e l d 3 6 2 1 2d r i f ti n d u c e db ya ce l e c t r i cf i e l d 3 7 2 2b r e a k u po fs p i r a lw a v ei n d u c e db ye l e c t r i cf i e l d 2 3n o n e q u i l i b r i u md y n a m i c so f2 dc o l l o i ds y s t e m sd r i v e nb ye x t e r n a lf i e l d 3 9 b i b l i o g r a p h y c h a p t e r 3 d r i f to fs p i r a lw a v e sc o n t r o l l e db yap o l a r i z e de l e c t r i cf i e l d 4 7 4 7 【r p h d t i i 强i so fz ii e l i a n gu n i v e r s i i y 3 1i n t r o d u c t i o n 3 2 m o d e l 3 3 r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 3 4c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t s b i b l i o g r a p h y c h a p t e r 4 4 7 4 8 c o n t r o lo fs p i r a lb r e a k u pb ya na ce l e c t r i cf i e l d 4 1i n t r o d u c t i o n 4 2m o d e l 4 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 4 4s u m m a r y b i b l i o g r a p h y c h a p t e r 5 5 8 6 l 6 1 6 8 7 3 e l i m i n a t i o no fs e c o n dh o p fb i f u r c a t i o nb yp h a s es y n c h r o n i z a t i o ni n d u c e d p o l a r i z e de l e c t r i cf i e l d 5 1i n t r o d u c t i o n 5 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 5 3s u m m a r y b i b l i o g r a p h y c h a p t e r 6 b y 7 3 7 3 7 5 7 9 8 3 d e p i n n i n gp r o p e r t i e so ft w o - d i m e n s i o n a lc o l l o i d so n a d i s o r d e r e ds u b s t r a t e 8 3 6 1i n t r o d u c t i o n 6 2m o d e l 8 3 6 3c h a n g i n gs t r e n g t ho fd i s o r d e r 8 8 6 3 1r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 8 8 6 3 2s u m m a r y 9 4 6 4c h a n g i n gs t r e n g t ho fc o l l o i d - c o l l o i di n t e r a c t i o n s 9 4 6 4 1r e s u l ta n dd i s c u s s i o n 9 4 6 4 2s u m m a r y 9 9 6 5c o n c l u s i o na n dr e m a r k s 9 9 b i b l i o g r a p h y 。1 0 1 l i p ii d t h e s i so fz r m j r a n gu n i v e r s i t y c h a p t e r 7 d y n a m i cp h a s ed i a g r a mo f d r i v e nc o l l o i ds y s t e m s 7 1m o t i v a t i o n 7 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 7 3c o n c l u s i o n b i b l i o g r a p h y c h a p t e r 8 1 0 5 1 0 5 1 0 5 d y n a m i cp h a s et r a n s i t i o ni n d u c e db yt e m p e r a t u r e 1 1 5 1 1 5 8 1m o t i v a t i o n 1l5 8 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 11 ( ； 8 3c o n c l u s i o n ll9 b i b l i o g r a p h y l i s to f p a p e r s 致谢。 i i i 1 2 2 1 2 3 il。7。卜 p h d t i - i e s i so fz m g t a n gu n i v e r s r f y 摘要 本论文主要研究了受外电场作用下螺旋波和胶体动力学性质。第一章概述性地介绍了在可 激发系统和胶体系统的背景、斑图结构和相性质；第二章回顾了受外电场控制下螺旋波和胶体 斑图结构、相性质的研究进展；从第三章至第七章，报告一些我们主要的研究工作：第三章研 究了可激发介质当中螺旋波在偏振电场下的漂移性质；第四章研究了通过交变电场控制螺旋波 的破碎；第五章研究了偏振电场下螺旋波与螺旋波的相同步效应；第六章研究了胶体在外电场 驱动下的脱钉性质；第七章得出了基于外电场驱动力和无序强度的动力学相图；第八章研究了 温度对胶体斑图结构的影响。 螺旋波的研究在物理，化学，生物学等等自然科学当中引起了广泛的兴趣。特别由于螺旋波 在心血管疾病，譬如心动过速和心颤，当中扮演了至关重要的角色。因此，怎样去消除和控制 螺旋波有非常重要的实际价值。物理学上对螺旋波和湍流态的研究将极大的帮助心脏医学上得 到关于预防和控制心率失常的重要方法和信息。 胶体的研究一直是软凝聚态领域最受关注的课题之一，因为它提供了非常理想的模型去研 究材料，物理，化学当中的许多问题。特别的，在外电场作用下胶体形成奇妙的斑图结构、相 性质吸引了很多研究。我们研究了无序衬底上二维胶体在外场驱动下动力学性质。 考虑到螺旋波和旋转电场都具有旋转对称性，我们首次研究了可激发介质当中螺旋波在旋 转偏振电场下的漂移。第三章数值模拟结果显示：当电场的频率等于螺旋波频率两倍的时候， 产生共振漂移。通过改变偏振模式，螺旋波漂移速度、方向能够被电场所调制。我们发现了一 些非常有趣的现象。当电场与螺旋波的旋转方向一致而且是圆偏振的时候，螺旋波漂移速度达 到最大。当电场与螺旋波的旋转方向相反且是圆偏振情况下，螺旋波被电场锁住，不能产生漂 移。在相同偏振电场模式下，顺、逆时针旋转螺旋波产生的漂移角度之和等于k n + 万2 基于 弱形变近似下的解析分析很好的证实了数值模拟结果。因为一个实际的偏振电场在具体的实验 当中( 譬如b z 反应) 容易实现，我们相信结果能在实验中得到证实。除了漂移，我们希望偏 振电场的引起的其他效应，譬如图灵斑图等，能够在将来被研究。 我们第一次发现了交变电场对螺旋波的一种新效应，并且应用这种新效应来控制螺旋波的 破碎。生理实验表明，螺旋波的存在导致心动过速，演化成湍流态对应心颤的发生。因此，怎 样控制螺旋波，使之不发生破碎引起了科学研究者很多的关注。然而到目前为止，控制的方法 还很少。研究发展有效的具有实际意义的方法至关重要。电场对螺旋波的影响研究的比较多。 一般来说，交流电场导致两个效应：螺旋波漂移和破碎。我们的研究表明，当外加交变电场的 强度和频率恰当地时候，就能达到阻止螺旋波破碎的目的。这种方法的内在机理是因为交互电 场有效的调制了螺旋波在低激发性时发生的漫游行为，导致多普勒效应被大大减弱。 v p h d n i e s i so fz r m j t a n gu n w e r s i t y 我们发现，圆偏振电场与螺旋波产生了相同步效应，成功的消除了二级霍普夫分岔二级 霍普夫分岔导致的螺旋波漫游行为，是系统失稳的主要原因。因此，消除二级霍普夫分岔对于 稳定螺旋波具有十分重要的意义。我们给出了螺旋波激发性和圆偏振电场振幅的控制相图。考 察偏振模式的影响得出：对称性更高的旋转偏振电场导致更高的临界破碎值。当电场旋转偏振 方向同螺旋波相反的时候，螺旋波破碎后改变旋转方向重新出现稳定螺旋波。 我们研究了受外电场驱动下了胶体的脱钉性质。首先就衬底上无序钉杂对动力学性质影响 做了研究当提高无序钉杂强度的时候，胶体系统发生了从弹性向塑性脱钉的转变，伴随着临 界脱钉力的突然增大。在这个过程当中，系统从一个有序态转变到无序态。在弹性脱钉区域， 在速度一驱动力微分曲线上没有发现峰值效应，而且胶体粒子横向运动被禁止。速度和驱动力 呈现关联，指数大致等于1 0 在塑性脱钉区，速度一驱动力微分曲线在临界脱钉区域上发现峰 值效应，并且产生历史关联，发生了横向扩散。 胶体系统内部带电粒子间相互作用对胶体动力学影响的研究。我们发现当增大胶体粒子间 相互作用力的时候，同样能发生从无序到有序，塑性到弹性脱钉的转变。这有可能在实验上实 现带电强相互作用下胶体结晶化。上述转变以及一系列的动力学性质可以归结与机理：作用在 胶体上的多个力相互竞争，当晶格软化和破裂后，单个胶体粒子调整到能量最低状态与位置， 导致了有趣的动力学现象。 我们研究得到了关于钉杂强度和驱动力的动力学相图。当钉杂力比较弱的时候，胶体系统 形成有序品格。模拟发现此时在驱动力作用下，胶体脱钉直接进入运动布洛赫玻璃相。当钉杂 力提高到一定程度，伴随着弹性塑性脱钉的转变，胶体脱钉后先进入塑性流动区，然后随着驱 动力提高进入运动布洛赫玻璃相。随着钉杂力的进一步提高，胶体在更高的外场下出现近晶相。 因此在强钉杂下，随着驱动力的提高，依次出现蠕动无序相，塑性流动相，近晶相，运动布洛 赫玻璃相。 通过降低温度，我们发现了从流动液体相到运动近晶相的动力学相变。在这个相变上，动 力学临界驱动力出现峰值效应，伴随着速度一驱动力曲线出现明显得交叠。胶体在高驱动力下 的动力学性质研究较少，我们首次研究了在胶体高速运动区域动力学性质随温度的影响。 v i f h d t th s s i so fz h f j i a n gu n i v e r s i t y a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t e ds p i r a lp a t t e r na n dc o l l o i dd y n a m i c su n d e rt h ei n f l u e n c eo f e x t e r n a le l e c t r i cf i e l d t h e r ea r es e v e nc h a p t e r si n c l u d i n gag e n e r a li n t r o d u c t i o ni nc h a p t e r1 ；a r e v i e wo fp r o g r e s si nc h a p t e r2 ；f r o mc h a p t e r3t o7 ，w er e p o r to u rm a i nr e s u l t s ：t h e i n v e s t i g a t i o no fd r i f tb e h a v i o ri n d u c e db yp o l a r i z e de l e c t r i c f i e l di n c h a p t e r3 ；s t u d i e so i l c o n t r o l l i n gs p i r a lb r e a k u pb ya ce l e c t r i cf i e mi nc h a p t e r4 ；e l i m i n a t i o no fs e c o n dh o p f b i f u r c a t i o nb yp h a s es y n c h r o n i z a t i o ni n d u c e db yp o l a r i z e de l e c t r i cf i e l di n c h a p t e r5 ； s i m u l a t i o n so fd e p i n n i n gp r o p e r t i e si i lc o l l o i ds y s t e m si nc h a p t e r6 ；p r e s e n t a t i o no fp h a s e d i a g r a ma e p e n d i n go nd r i v i n gf o r c ea n ds t r e n g t ho fp i i l si nc h a p t e r7 ；i n v e s t i g a t i o no f d y n a m i c a lp h a s et r a n s i t i o ni n d u c e db yt e m p e r a t u r ei nc h a p t e r8 t h e t o p i c o f s p i r a lw a v e sh a sa t t r a c t e dw i d e i n t e r e s t si np h y s i c s ，c h e m i s t r y ，b i o l o g ya n d o t h e rf i e l d so fm t u r a ls c i e n c e i np a r t i c u l a r , t h e yp ba ne s s e n t i a lr o l ei nh e a r td i s e a s e ss u c ha s 牡r b ”岫a n df i b r i l l a t i o n t h u s ，h o wt oe l i m i n a t ea n dc o n t r o ls p i r a lw a v e si si m p o r t a n tf o r p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s s t u d i e so ns p i m aw a v e sa n dt u r b u l e n c ei np h y s i c s w i l lg r e a t l yc o n t r i b u t e t ot h ed e v e l o p m e n to f c a r d i o l o g yi i lp r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ec a r d i a ca r r h y t h m i a sa n d f i b r i l l a t i o n t h e r eh a sb e e nc o n s i d e r a b l ei n t e r e s ti nc o l l o i d a lc r y s t a l sd u r i n gt h e p a s tt w od e c a d e s ， s i n c et h e yp r o v i d ei d e a lm o d e ls y s t e m sf o rs t u d i e so fv a r i o u sp r o b l e m si nm a t e r i a ls c i e n c e ， p h y s i c a lc h e m i s t r y ，a n dc o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s e s p e c i a l l y , i ts h o w sar i c hv a r i e t yo f p a t t e r n sa n dp h a s e su n d e r t h ei n f l u e n c eo fe l e c t r i cf i e l d t h u s ，i ta t t r a c t sv 函d e l ya t t e n t i o n w e s t u d i e dt h ed y n a m i c so ft w o - d i m e n s i o n a lc o l l o i d ss y s t e mo nad i s o r d e r e ds u b s t r a t eu s i n g l a n g e v i ns i m u l a t i o n i n t h e l i g h t t h a t b o t h t b e p o a r i z e d e k c t r i c f l e l d a n d t h e 垆i r a l w a v e s p o s s e s s r o t a t i o n s y m m e t r y , w e i n v e s t i g a t e d t h ea r i 移b e h a r i o ro f s p i r a lw a v e su n d e rt h el 彬m e f f d eo f a p o l a r i z e de l e c t r i c f i d d f o rt h e f i r s tt i m e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h ed 曲v e l o c i t yo fs p i r a ld pc a i lb ec o n t r o l l e db yc h a n g i n gt h e p o l a r i z a t i o n - m o d eo ft h ep o l a r i z e de l e c t r i cf i e l da n ds o l t l ei n t e r e s t i n gd r i f tp h e n o m e n aa r e o b s e r v e d w h e nt h ee l e c t r i c f i e l di sc i r c u l a r l yp o l a r i z e da n di t sr o t a t i o nf o l l o w st h a to ft h es p i r a l , t h ed r i f tw e e do fs p i r a l6 pr e a c h e si t sm a x i m a lv a l u e o nt h ec o n t r a r y , o p p o s i t er o t a t i o n b e t w e e ns p i r a la n de l e c t r i cf i e l dl o c k st h ed r i f to f s p i r a l 印t h ed r i f td i r e c t i o nc 锄a l s o b et u n e d b yc h a n g i n gt h ep h a s e d i f f e r e n c eo ft h ep o l a r i z e de l e c m cf i e l d 。t h es l l r no fc k i f ta n g l eo ft w o o p p o s i t er o t a t i n gs p i r a lw a v e s a tf i x e dp h a s ed i f f e r e n c e si se q u a lt ok z + z12 a n a l y a l i p h d t h e s i so fz t t e j i a n gu n i v e r s i t y r e s u l t sb a s e do nt h ew e a kd e f o r m a t i o na p p r o x a m a u o na r ec o n s i s t e n tw i t ht h en u m e r i c a lr e s u l t s s i n c eap o l a r i z e de l e c t r i cf i e l dc a l lb ee a s i l ya p p f i e dt op r a c t i c a ls y s t e m s ，s u c ha sb zr e a c t i o n ， w e e x p e c tt h a to u r t h e o r e t i c a lr e s u l t sw i l lb eo b s e r v e di ne x p e r i m e n t s b e s i d e st h ed r i f to f s p k f l w a v e s ，w eh o p et h a to t h e re f f e c t so ft h ep o l a r i z e de l e c t r i cf i e l do f fs p i r a lw a v e s ，t u r i n gp a t t e r n s ， e t c ，w i l lb es t u d i e di nt h ef u t u r e an e wf 历e c ti n d u c e d 砂a ce l e c m c f l e l d o ns p i r a l i sd e t e c t e d f o rt b e f l r s tt i m e w ea p p yi ta sam e t h o d t oc o n t r o l s p i r a lb r e a k u p t h ec o n t r o l l i n go fs p i r a lw a v eb r e a k u ph a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n h o w e v e r ，t h ec o n t r o l l i n ga p p r o a c ht op r e v e n ts p i r a lw a v eb r e a k u pi ss t i l lp o o ra n do p e n i ti s n e c e s s a r yt od e v e l o ps o m ee f f i c i e n ta n dp r a c t i c a lc o n t r o ls c h e m e s g e n e r a l l y ，t h ei n f l u e n c eo f e l e c t r i cf i e l di ss t u d i e d w i d e l y a cf i e l dc a n i n d u c et w oe f f e c t so ns p i r a lw a v e ：d r i f ta n d b r e a k u p ( 缸d e f o r m a t i o n ) w i t hs u i t a b l ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c yo ft h ea cd e c t t i cf i d d , s p i r a lb r e a k u p c a ne f f i c i e n t l yb es u p p r e s s e d t h eu n d e r l i n gm e c h a n i s mi ss t u d i e da n d p r e s e n t e d ：i ti sd u e t o t h ee f f i c i e n tm o d u l a t i o no f s p i r a lm e a n d e r i n g t h a tp r e v e n ts p i r a lb r e a k u p w ee x p e c tt h a to u r t h e o r e t i c a lr e s u l t sw i l lb eo b s e r v e di ne x p e r i m e n t s t h ep h a s e ( y n c h r o n i w t i o nb e t w e e nd r c u l a r p o l a r i z e de k c t r i ca n d 妒i r a le h m i n a t e st h es e c o n dh f b t f u r c a t i o n w ef i n dt h es p i r a li se f f i c i e n tm o d u l a t e da n db e c o m ez e r op h a s es y n c h r o n i z a t i o n w i t ht h es u p e r i m p o s e dc i r c u l a r p o l a r i z e de l e c t r i c f i e l d t h ec r i t i c a lv a l u eo fb r e a k u pi s i n c r e a s e dd u et ot h ev a n i s h i n go fs e c o n dh o p fb i f u r c a t i o na n dt e m p e r i n go f m e a n d e r i n g b e h a v i o r i ti st h er o t a t i n gs y m m e t r yo ft h es p i r a lt h a tf a v o r i n gt h ec i r c u l a rp o l a r i z e de l e c t r i c f i e l da n dl e a d st ot h es 峨b e h a v i o r v m 7 i n gp o l a r i z e dm o d e ss h o w st h a tm o r ei d e a l s y n 1 i i a e t r yl e a dt oh i g h e rc r i t i c a lv a l u eo fb r e a k u p o p p o s i t er o t a t i o nb e t w e e ns p i r a la n d e l e c t r i cf i e l di n d u c e st h es p i r a lb r e a k u pa n dr e c o v e rt od g i ds p i r a la g ：血 w ei n v e s t i g a t e d & p i n n i n gd y n a m i c so f 2 dc o l l o i df y s t e md r i v e n 纱e x t e r n a l f l e l di n & t a i la tf i r s t , 聊 s t u d i e dt h er o l eo fd i s o r d e ro ns u b s t r a t e w i t hi n c r e a s i n gs t r e n g t ho fd i s o r d e r , w ef o u n das h 砷 c r o s s o v e rf r o me h s t i ct op h s t i cd e p i r m i n ga s s o c i a t e dw i t ht h eo r d e r - 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