近日，我院等离子体物理团队在尘埃等离子体棘轮研究方面取得新进展，相关工作“Separation of bidispersed microspheres in dusty plasma ratchet experiments”发表在物理学期刊《Physical Review E》(2025, 111, 065216)，博士研究生姚廷昱为论文第一作者，贺亚峰教授、华南师范大学艾保全教授与苏州大学冯岩教授为共同通讯作者。
颗粒分离技术在许多领域有着广泛的应用，如何实现高精度、高效地分选颗粒一直是相关领域面临的技术痛点。费曼棘轮可被视作为一种热机，能够将颗粒的随机运动转化为定向输运而不打破热力学第二定律。借助费曼棘轮实现颗粒分离是相关领域内的热门方向，然而目前该类研究主要都集中于电解质溶液环境中，控制这些中性或带电的颗粒在欠阻尼的环境下实现分离耗费的精力极大，效率也无法得到保障。尘埃等离子体系统中的带电的颗粒之间会产生强烈的相互作用，使颗粒在等离子体环境中能够实现快速输运，这在以往电解质溶液的环境下是难以实现的。
该工作通过设计尘埃等离子体棘轮装置，在强耦合欠阻尼条件下实现了双分散微球（尘埃颗粒）高效高精度分离。在实验中，双分散的尘埃颗粒能够以不同的速度在棘轮通道内进行定向快速输运，在特定条件下还可实现反向运动，成功实现了双分散尘埃颗粒的分离，分离纯度达100%。进一步通过等离子体流体模拟揭示了颗粒分离的机制：双分散尘埃颗粒悬浮在等离子体鞘层的不同平衡高度处经历不同的棘轮电势，由此产生不同的输运速度进而实现颗粒分离。该研究发现的尘埃颗粒依赖悬浮高度的输运机制，为探究尘埃等离子体棘轮中欠阻尼强耦合颗粒的输运基本原理提供了新视角，并为开发先进的颗粒分离器件提供了新思路。
以上工作得到了国家自然科学基金、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/10.1103/2y5j-299b
