Umeå University's logo

The concept of a front plays a decisive role in various elds in physics and beyond. In the present thesis we study key aspects of front dynamics and stability in the context of laser plasmas, organic semiconductors and quantum media.

In laser plasmas, we investigate the hydrodynamic instabilities developing at the fronts of laser deagration (ablation). Using direct numerical simulations, we nd noticeable velocity increase of the Rayleigh-Taylor bubble at a deagration front in comparison with that arising at an inert interface. We study the Darrieus-Landau instability of laser deagration accounting for the specific features of the fusion plasmas: strong temperature dependence of the thermal conduction and sonic velocities of the plasma flow. We find that these features of the laser plasmas make the Darrieus-Landau instability stronger by a factor of 3 in comparison with the well-known case of slow flames. We clarify the experimental conditions required for observations of the Darrieus-Landau instability in laser plasmas.

In quantum plasmas, we study interplay of the classical and quantum eects for shock waves and for the pseudo-ferrouid instability. For shocks in quantum plasmas, we demonstrate transition from a monotonic Burgers classical shock structure to the train of oscillations (solitons) in the quantum limit. We obtain also a counterpart of the ferrouid instability in quantum magnetized plasmas due to collective spin-dynamics in an external magnetic eld. We discuss importance of the instability for thermonuclear explosions of white dwarfs in the Supernovae Ia events.

In organic semiconductors, we develop the theoretical and numerical model of the electrochemical doping fronts. The study is based on the modifed mobilitydiffusion approach to the complex semiconductor plasmas consisting of holes, electrons, positive and negative ions. The m odel describes the doping front structure and predicts the front velocity in a very good agreement with the experiments. We discover a new fundamental instability, which distorts the doping fronts and speeds-up the process considerably. We demonstrate how the instability may be controlled and used to improve performance of optoelectronic devices.

Finally, we study avalanches of spin-switching in crystals of nanomagnets, which may be described as magnetic deagration and detonation due to striking resemblance to the respective combustion phenomena. We find that magnetic deflagration becomes unstable and propagates in a pulsating regime when potential barrier of the spin-switching is sufficiently high in comparison with the energy release in the process. We also demonstrate the possibility of magnetic detonation in the crystals, which explains the astounding effect of ultra-fast spin-avalanches encountered in recent experiments. We find that magnetic detonation does not destroy the unique properties of the crystals, a very important conclusion in view of possible applications of nanomagnets in quantum computing.

Konceptet med en utbredningsfront spelar en avgörande roll inom många olika områden i fysik. I denna avhandling studeras centrala aspekter av utbredningsfronters dynamik och deras stabilitet i för laser-plasmaväxelverkan, organiska halvledare samt kvantmedier. 

För laser-plasmaväxelverkan har vi undersökt de hydrodynamiska instabiliteter, som t ex Rayleigh-Taylor-instabiliteten, vilka utvecklas vid deflagrationsfronter (under så kallad laserablation). Med hjälp av direkta numeriska simuleringar har vi hittat en märkbar hastighetökning av Rayleigh-Taylor bubblan i en deaflgrationsfront jämfört med det som kan ses vid ett inert gränssnitt. Vi har även studerat Darrieus-Landau-instabiliteten vid laserdeflagration, speciellt hur denna påverkas av de specifika egenskaperna hos ett fusionsplasma: ett starkt temperaturberoende hos värmeledningen samt plasmaflödet som uppnår ljudhastighet.

Vi har funnit att dessa egenskaper hos laser-plasmasystem gör Darrieus-Landau instabilitet starkare jämfört med det vanliga fallet av långsamma flammor. Vi har även klargjort de experimentella förutsättningar som krävs för observationer av Darrieus-Landau instabilitet i laser-plasmasystem. 

Vi har studerat samspelet mellan klassiska och kvantmekaniska aspekter i kvantplasmor. Specifikt har vi undersökt chockvågors utbredning och dynamik samt instabiliteter i pseudo-ferrofluider. För chocker i kvantplasmor har vi visat att en övergång från Burgers klassiska monotona chockstruktur till ett vågtåg av solitoner sker i kvantgränsen. Vi för också en motsvarighet till ferrofluidinstabiliter i magnetiserade plasmor  på grund av dess kollektiva spinn-dynamik i ett yttre magnetfält. Vi har diskuterar instabilitetens roll för termonukleära explosioner hos vita dvärgar i supernovor av typ Ia.  

I organiska halvledare har vi utvecklat en teoretisk och numerisk modell av elektrokemiska dopningsfronter. Studien är baserad på en modifierade drift-diffusiondmodell för komplexa dopade halvledare, vilka består av hål, elektroner, positiva och negativa joner. Modellen beskriver dopningsstrukturen och gör det möjligt att beräkna dopningsfrontens hastighet med värden som överensstämmer mycket väl med experimenten. Vi har även upptäckt en ny grundläggande instabilitet, vilket gör dopningsfronter anisotrop och snabbar upp processen betydligt. Vi visar hur instabilitet kan styras och användas för att förbättra optoelektronisk utrustning.  

Slutligen studerar vi laviner av spin-växlingar i kristaller bestående av nanomagneter. Denna process kan beskrivas i termer av ett nytt analogt koncept, så kallad magnetiska deflagration och detonation, på grund av de slående likheter dessa har till motsvarande förbränningsfenomen. Vi har funnit att magnetiska deflagration blir instabil och propagerar i en pulserande regim när potentialbarriären för spin-växling är tillräckligt hög i jämförelse med frigörelsen av energi i processen. Vi visar också möjlighet till magnetisk detonation i dessa  kristaller, vilket förklarar de ultrasnabba spin-laviner man stött på under vid experiment helt nyligen. Denna magnetiska detonation förstör inte de unika egenskaperna hos kristallerna, en mycket viktig slutsats med tanke på möjliga tillämpningar av nanomagneter i kvantdatorer.