Journal of Interfaces, Thin Films, and Low dimensional systems

Compressive and rarefactive dust-ion acoustic solitary waves in four components ‎quantum plasma with dust-charge variation

Document Type : Original Article

Authors

1 Department of Physics, Alzahra University, Tehran, Iran

2 Research School of Plasma and Fusion, NSTRI, Tehran, Iran

Abstract

Based on quantum hydrodynamics theory (QHD), the propagation of nonlinear quantum dust-ion acoustic (QDIA) solitary waves in a ‎collision-less, unmagnetized four component quantum plasma consisting of electrons, positrons, ions and stationary negatively charged ‎dust grains with dust charge variation is investigated using reductive perturbation method. The charging current to the dust grains carried ‎by the plasma particle, has been calculated with the orbit-limited motion approach. The quantum current of electrons and positrons is ‎obtained by using Fermi-distribution functions. The basic features of QDIA solitary waves are studied by deriving the Korteweg-de Vries ‎‎(KdV) Equation. It is found that both rarefactive and compressive type of solitons can exist in the model plasma. Further, the nonlinear ‎and dispersive coefficients in KdV equation are modified by consideration dust charge variation effect and Fermi-Dirac distribution ‎function. The present investigations should be useful for researches on astrophysical plasmas as well as for ultra small micro- and nano- ‎electronic devices.‎

Keywords

Main Subjects

Article Title [Persian]

امواج سالیتونی متراکم و رقیق غبار- یون صوت در پلاسمای کوانتومی چهار مؤلفه ای با بار غبار متغیر

Authors [Persian]

  • نوشین پیش بین 1
  • محمود رضا روحانی 1
  • نادر مرشدیان 2

1 گروه فیزیک، دانشگاه الزهرا (س)، تهران، ایران

2 مرکز تحقیقات پلاسما و گداخت، تهران، ایران

Abstract [Persian]

انتشار امواج غیر خطی سولیتاری غبار یون- صوت کوانتومی در یک پلاسمای کوانتومی غیر مغناطیده چهار مؤلفه‌ای شامل الکترون‌ها، پوزیترون‌ها، یون‌ها و ذرات غبار پایا با بار متغیر و منفی، بر اساس نظریه‌ی کوانتوم هیدرودینامیک و با استفاده از روش اختلال کاهشی تحقیق و بررسی شده است. جریان بار دار شدن ذرات غبار توسط ذرات پلاسما، از رهیافت مدار حرکت محدود حاصل شده و در محاسبه‌ی جریان کوانتومی الکترون‌ها و پوزیترون‌ها از تابع توزیغ فرمی دیراک استفاده شده است. در این مطالعه مشخصه‌ی اصلی امواج سولیتاری غبار یون- صوت کوانتومی توسط معادله‌ی کورت وگ دوریس بررسی شده و وجود هر دو نوع ساختار رقیق و متراکم سالیتون-ها در این مدل پلاسما نشان داده شده است. علاوه براین، نتایج نشان می‌دهد که ضرایب غیر خطی و پراش در معادله کورت وگ دوریس با در نظر گرفتن اثر تغییر بار و تابع توزیع فرمی، اصلاح می‌شوند. مطالعه‌ی حاضر می‌تواند در درک بهتر رفتار پلاسماهای کوانتومی و وسایل الکترونیکی ابعاد نانو و میکرون مفید باشد.

Keywords [Persian]

  • پلاسمای کوانتومی
  • امواج سالیتونی غبار یون صوت
  • معادله کورت وگ دوریس
  • تغییر بار غبار
  • توابع توزیع فرمی
[1] P. K. Shukla and B. Eliasson, Plasma Phys. Control. Fusion 52 (2010) 124040.
[2] F. Hass, Quantum Plasmas, Springer Science (2011).
[3] E. Madelung, Zeit. f. Phys. 40 (1927) 322.
[4] M. V. Kuzelev and A. A. Rukhadze, Phys. Usp. 42 (1999) 603.
[5] M. G. Ancona and G. J. Iafrate, Phys. Rev. B 39 (1989) 9536.
[6] I. Gasser, C. K. Lin, and P. A., Taiwan. J. Math. 4 (2000) 501.
[7] G. Manfredi and F. Haas, Phys. Rev. B 64 (2001) 075316.
[8] F. Haas, L. G. Garcia, J. Goedert, and G. Manfredi Phys. Plasmas 10 (2003) 3858.
[9] P. A. Markowich, C. A. Ringhofer, and C. Schmeiser, Semiconductor Equations, Springer-Verlag, New York (1990).
[10] M. Marklund and P. K. Shukla, Rev. Mod. Phys. 78 (2006) 591.
[11] M. Opher, L. O. Silva, D. E. Dauger, V. K. Decyk, and J. M. Dawson, Phys. Plasmas 8 (2001) 2454.
[12] S. H. Glenzer and R. Pedmer, Rev. Mod. Phys. 81 (2009) 1625.
[13] A. Serbeto, L. F. Monteiro, K. H. Tsui, and J. T. Mendonca, Plasma Phys. Controlled Fusion 51 (2009) 124024.
[14] N. Crouseilles, P. A. Hervieux, and G. Manfredi, Phys. Rev. B 78 (208) 155412.
[15] G. V. Shpatakovskaya, J. Exp. Theor. Phys. 102 (2006) 466.
[16] Li Wei and You-Nian, Phys. Rev. B 75 (2007) 193407.
[17] L. K. Ang, T. J. T. Kwan, and Y. Y. Lau, Phys. Rev. Lett. 91(2003) 208303; L. K. Ang, IEEE Trans. Plasma Sci. 32 (2004) 410; L. K. Ang, W. S. Koh, Y. Y. Lau, and T. J. T. Kwan Phys. Plasmas 13 (2006) 056701.
[18] T. C. Killian, Nature 441 (2006) 298.
[19] K. Becker, K. Koutsospyros, S. M. Yin, C. Christodoulatos, N. Abramzon, J. C. Joaquin, and G. Brelles-Mariño, Plasma Phys. Control. Fusion 47 (2005) B513.
[20] S. Ali, W. M. Moslem, P. K. Shukla, and R. Schlickeiser, Phys. Plasmas 14 (2007) 082307.
[21] J. N. Han, J. H. Luo, and J. X. Li, Astrophys Space Sci. 349 (2014) 305.
[22] P. K. Shukla and V. P. Silin, Phys. Scr. 45 (1992) 508.
[23] A. Barkan, N. D’Angelo, and R. L. Merlino, Planet. Space Sci. 44 (1996) 239.
[24] L. Merlino, A. Barkan, C. Thompson, and N. D. Angelo, Phys. Plasmas 5(1998) 1607.
[25] W. Masood, A. Mushtaq, and R. Khan, Phys. Plasmas 14(2007) 123702.
[26] M.S. Zobaer, N. Roy, A.A. Mamun, Astrophys Space Sci 343 (2013) 675.
[27] M. A. Hossain, S. S. Duha, and A. A. Mamun, J. Adv. Phys. 9 (2013) 2476
[28] S. Tasnim, S. Islam, and A. A. Mamun, Phys. Plasmas 19 (2012) 033706.
[29] S. A. Khan and A. Mushtaq, Phys. Plasmas 14 (2007) 083703.
[30] T. J. Feng and L. Zhang, Indian J. Phys. 88 (2014) 641.
[31] A. E. Dubinov, D. Yu. Kolotkov, and M. A. Sazonkin, Plasma Phys. Rep. 37 (2011) 64.
[32] M R. Rouhani, A. Akbarian, and Z. Mohammadi, IJPR 16(2016) 91.
[33] E. Emadi and H. Zahed, Phys. Plasmas 23 (2016) 083706.
[34] P. K. Shukla and A. A. Mamun, Introduction to Dusty Plasma Physics, Institute of Physics, Bristol (2002).
[35] S. Ghosh, S. Sarkar, M. Khan and M. R. Gupta, Phys. Lett. A 274(2000) 162
[36] S. Ghosh, S. Sarkar, M. Khan and M.R. Gupta, Phys. Plasmas 7 (2000) 3594.
[37] S. Ghosh, T.K. Chaudhuri, S. Sarkar, M. Khan and M.R. Gupta, Phys. Rev. E 65 (2002) 037401.
[38] H. Alinejad, Astrophys Space Sci. 327 (2010) 131.
[39] S. A. Ema, M. R. Hossen and A. A. Mamun, Contrib. Plasma Phys. 55(2015) 596.
[40] R. Bharuthram and P. K. Shukla, Planet. Space Sci. 40 (1992) 973.
[41] S I. Popel and M Y. Yu, Contrib. Plasma Phys. 35 (1995) 103.
[42] P. K. Shukla, Phys. Plasmas 7 (2000) 1044.
[43] P. K. Shukla, Phys. Plasmas 8 (2001) 1791.
[44] A. A. Mamun and P. K. Shukla, Phys. Plasmas 9 (2002) 1468.
[45] W.M. Moslem, R. Sabry, S.K. El-Labany, and P.K. Shukla, Phys. Rev. E 84 (2011) 066402.
[46] E. Saberian and A. Esfandyari-Kalejahi, Phys. Rev. E 87 (2013) 053112.
[47] S. Guo, L. Mei and A. B. Sun, Ann. Phys 332 (2012) 38.
[48] H. Schamel, J. Plasma Phys. 9 (1973) 377.
[49] R. C. Davidson, Methods in Nonlinear Plasma Theory, Academic press, New York (1972).
Journal of Interfaces, Thin Films, and Low dimensional systems
Volume 1, Issue 1
December 2017
Pages 37-48