近日，我院等离子体物理课题组在尘埃等离子体摇摆棘轮研究方面取得新进展，相关工作“Experimental realization of a dusty plasma rocking ratchet with current reversal”发表在物理学期刊《Physical Review E》，博士研究生张顺欣为论文第一作者，贺亚峰教授、华南师范大学艾保全教授为共同通讯作者。
棘轮系统能够在非平衡条件下，通过空间不对称性与无偏驱动力的结合产生定向输运，是研究布朗马达与非平衡统计物理的重要模型。其中，摇摆棘轮（rocking ratchet）因仅需施加零均值的周期驱动力即可诱导有限净流，在颗粒操控、物质分离和微纳尺度输运等领域具有广阔的应用前景。然而，以往摇摆棘轮的研究多集中于光学晶格、半导体纳米结构、冷原子及纳流控器件等体系，在强耦合、欠阻尼条件下实现可调谐的定向输运与流反转仍面临巨大挑战。
尘埃等离子体为研究此类问题提供了独特平台：微米级尘埃颗粒在等离子体中带有大量负电荷，颗粒间存在强耦合相互作用，且单个颗粒的运动可被直接观测与操控。借助锯齿形电极结构可方便地构建不对称棘轮势，而激光辐射压力则提供了一种灵活可控的周期驱动力手段。该工作正是利用这一优势，设计并实现了尘埃等离子体摇摆棘轮装置。
在实验中，研究团队将单个尘埃颗粒束缚于锯齿形通道内的不对称棘轮势中，利用两束方向相反、强度相等的激光交替照射颗粒，施加零均值的周期性驱动力。通过调节激光功率和斩波频率，系统性地研究了驱动幅度与频率对颗粒输运行为的影响。实验发现，随着驱动力增大，颗粒的净流依次经历零流、正流、零流和负流等不同输运状态，成功实现了流反转。在特定驱动条件下，颗粒甚至能够克服棘轮势的硬方向势垒，表现出反向输运。
为进一步揭示输运机制，研究团队建立了基于驱动力与棘轮束缚竞争关系的简化模型。模型指出，定向输运需同时满足两个条件：驱动力必须超过脱钉阈值，且驱动半周期须长于颗粒沿棘轮势阱的上坡逃逸时间。基于此模型构建的动力学相图定量再现了实验观测到的输运区域与流反转现象，揭示了正、负流之间的竞争机制。该研究不仅展示了尘埃等离子体作为研究欠阻尼颗粒非平衡输运的可控平台，也为开发基于棘轮效应的颗粒操控与分离器件提供了新思路。
以上工作得到了国家重点研发计划、中国载人航天工程空间应用系统项目、国家自然科学基金、河北省自然科学基金等多项科研项目的资助。
全文链接：https://doi.org/10.1103/mz6v-s9yv
