Accurate analysis of pair correlations in condensed matter allows us to establish relations between structures and thermodynamic properties and, thus, is of high importance for a wide range of systems, from solids to colloidal suspensions. Recently, the interpolation method (IM) that describes satisfactorily the shape of pair correlation peaks at short and at long distances has been elaborated theoretically and using molecular dynamics simulations, but it has not been verified experimentally as yet. Here, we test the IM by particle-resolved studies with colloidal suspensions and with complex (dusty) plasmas and demonstrate that, owing to its high accuracy, the IM can be used to experimentally measure parameters that describe interaction between particles in these systems. We used three- and two-dimensional colloidal crystals and monolayer complex (dusty) plasma crystals to explore suitability of the IM in systems with soft to hard-sphere-like repulsion between particles. In addition to the systems with pairwise interactions, if many-body interactions can be mapped to the pairwise ones with some effective (e.g., density-dependent) parameters, the IM could be used to obtain these parameters. The results reliably show that the IM can be effectively used for analysis of pair correlations and interactions in a wide variety of systems and therefore is of broad interest in condensed matter, complex plasma, chemical physics, physical chemistry, materials science, and soft matter.

1.
P. M.
Chaikin
and
T. C.
Lubensky
,
Principles of Condensed Matter Physics
(
Cambridge University Press
,
1995
).
2.
P.
Atkins
,
J. d.
Paula
, and
J.
Keeler
,
Atkins’ Physical Chemistry
, 11th ed. (
University Press
,
Oxford
,
2017
).
3.
A.
Fernandez-Nieves
and
A. M.
Puertas
,
Fluids, Colloids, and Soft Materials: An Introduction to Soft Matter Physics
(
Wiley
,
2016
).
4.
A.
Ivlev
,
H.
Löwen
,
G.
Morfill
, and
C. P.
Royall
,
Complex Plasmas and Colloidal Dispersions: Particle-Resolved Studies of Classical Liquids and Solids
, Series in Soft Condensed Matter (
Word Scientific
,
Singapore
,
2012
).
6.
K.
Trachenko
and
V. V.
Brazhkin
,
Rep. Prog. Phys.
79
,
016502
(
2015
).
7.
J.-P.
Hansen
and
I. R.
MacDonald
,
Theory of Simple Liquids
(
Academic
,
London
,
2006
).
8.
M. J.
Cliffe
,
M. T.
Dove
,
D. A.
Drabold
, and
A. L.
Goodwin
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
125501
(
2010
).
9.
I.-K.
Jeong
,
R. H.
Heffner
,
M. J.
Graf
, and
S. J. L.
Billinge
,
Phys. Rev. B
67
,
104301
(
2003
).
10.
T.
Proffen
,
S. J. L.
Billinge
,
T.
Egami
, and
D.
Louca
,
Z. Kristallogr. - Cryst. Mater.
218
,
132
(
2003
).
11.
I.-K.
Jeong
,
T.
Proffen
,
F.
Mohiuddin-Jacobs
, and
S. J. L.
Billinge
,
J. Phys. Chem. A
103
,
921
(
1999
).
12.
A. V.
Sapelkin
,
S. C.
Bayliss
,
A. G.
Lyapin
,
V. V.
Brazhkin
, and
A. J.
Dent
,
Phys. Rev. B
56
,
11531
(
1997
).
13.
A. V.
Poiarkova
and
J. J.
Rehr
,
Phys. Rev. B
59
,
948
(
1999
).
14.
A. V.
Sapelkin
and
S. C.
Bayliss
,
Phys. Rev. B
65
,
172104
(
2002
).
15.
P.
Fornasini
,
S.
a Beccara
,
G.
Dalba
,
R.
Grisenti
,
A.
Sanson
,
M.
Vaccari
, and
F.
Rocca
,
Phys. Rev. B
70
,
174301
(
2004
).
16.
G.
Dalba
and
P.
Fornasini
,
J. Synchrotron Radiat.
4
,
243
(
1997
).
17.
A.
Filipponi
,
J. Phys.: Condens. Matter
13
,
R23
(
2001
).
18.
S. O.
Yurchenko
,
J. Chem. Phys.
140
,
134502
(
2014
).
19.
S. A.
Khrapak
,
N. P.
Kryuchkov
,
S. O.
Yurchenko
, and
H. M.
Thomas
,
J. Chem. Phys.
142
,
194903
(
2015
).
20.
S. O.
Yurchenko
,
N. P.
Kryuchkov
, and
A. V.
Ivlev
,
J. Chem. Phys.
143
,
034506
(
2015
).
21.
S. O.
Yurchenko
,
N. P.
Kryuchkov
, and
A. V.
Ivlev
,
J. Phys.: Condens. Matter
28
,
235401
(
2016
).
22.
S. A.
Khrapak
,
N. P.
Kryuchkov
, and
S. O.
Yurchenko
,
Phys. Rev. E
97
,
022616
(
2018
).
23.
N. P.
Kryuchkov
,
S. A.
Khrapak
, and
S. O.
Yurchenko
,
J. Chem. Phys.
146
,
134702
(
2017
).
24.
S. O.
Yurchenko
,
K. A.
Komarov
,
N. P.
Kryuchkov
,
K. I.
Zaytsev
, and
V. V.
Brazhkin
,
J. Chem. Phys.
148
,
134508
(
2018
).
25.
N. P.
Kryuchkov
,
S. O.
Yurchenko
,
Y. D.
Fomin
,
E. N.
Tsiok
, and
V. N.
Ryzhov
,
Soft Matter
14
,
2152
(
2018
).
26.
G. E.
Morfill
and
A. V.
Ivlev
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1353
(
2009
).
27.
M.
Chaudhuri
,
A. V.
Ivlev
,
S. A.
Khrapak
,
H. M.
Thomas
, and
G. E.
Morfill
,
Soft Matter
7
,
1287
(
2011
).
28.
A.
Ivlev
,
V.
Nosenko
, and
T.
Röcker
,
Contrib. Plasma Phys.
55
,
35
(
2015
).
29.
V. A.
Schweigert
,
I. V.
Schweigert
,
A.
Melzer
,
A.
Homann
, and
A.
Piel
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
5345
(
1998
).
30.
V.
Nosenko
,
S. K.
Zhdanov
,
A. V.
Ivlev
,
C. A.
Knapek
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
015001
(
2009
).
31.
J. D.
Williams
,
E.
Thomas
,
L.
Couedel
,
A. V.
Ivlev
,
S. K.
Zhdanov
,
V.
Nosenko
,
H. M.
Thomas
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Rev. E
86
,
046401
(
2012
).
32.
A.
Melzer
,
A.
Homann
, and
A.
Piel
,
Phys. Rev. E
53
,
2757
(
1996
).
33.
P.
Hartmann
,
A.
Douglass
,
J. C.
Reyes
,
L. S.
Matthews
,
T. W.
Hyde
,
A.
Kovács
, and
Z.
Donkó
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
115004
(
2010
).
34.
M.
Rubin-Zuzic
,
G. E.
Morfill
,
A. V.
Ivlev
,
R.
Pompl
,
B. A.
Klumov
,
W.
Bunk
,
H. M.
Thomas
,
H.
Rothermel
,
O.
Havnes
, and
A.
Fouquét
,
Nat. Phys.
2
,
181
(
2006
).
35.
S.
Nunomura
,
D.
Samsonov
,
S.
Zhdanov
, and
G.
Morfill
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
025003
(
2005
).
36.
V.
Nosenko
,
S.
Zhdanov
,
A. V.
Ivlev
,
G.
Morfill
,
J.
Goree
, and
A.
Piel
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
025003
(
2008
).
37.
V.
Nosenko
,
S.
Zhdanov
, and
G.
Morfill
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
025002
(
2007
).
38.
P.
Hartmann
,
A. Z.
Kovács
,
A. M.
Douglass
,
J. C.
Reyes
,
L. S.
Matthews
, and
T. W.
Hyde
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
025002
(
2014
).
39.
Y.-F.
Lin
,
A.
Ivlev
,
H.
Löwen
,
L.
Hong
, and
C.-R.
Du
,
Europhys. Lett.
123
,
35001
(
2018
).
40.
H.
Huang
,
A. V.
Ivlev
,
V.
Nosenko
,
Y.-F.
Lin
, and
C.-R.
Du
,
Phys. Plasmas
26
,
013702
(
2019
).
41.
A.
Wysocki
,
C.
Räth
,
A. V.
Ivlev
,
K. R.
Sütterlin
,
H. M.
Thomas
,
S.
Khrapak
,
S.
Zhdanov
,
V. E.
Fortov
,
A. M.
Lipaev
,
V. I.
Molotkov
,
O. F.
Petrov
,
H.
Löwen
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
045001
(
2010
).
42.
A. V.
Ivlev
,
S. K.
Zhdanov
,
H. M.
Thomas
, and
G. E.
Morfill
,
Europhys. Lett.
85
,
45001
(
2009
).
43.
C.
Killer
,
T.
Bockwoldt
,
S.
Schütt
,
M.
Himpel
,
A.
Melzer
, and
A.
Piel
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
115002
(
2016
).
44.
S. O.
Yurchenko
,
E. V.
Yakovlev
,
L.
Couedel
,
N. P.
Kryuchkov
,
A. M.
Lipaev
,
V. N.
Naumkin
,
A. Y.
Kislov
,
P. V.
Ovcharov
,
K. I.
Zaytsev
,
E. V.
Vorob’ev
,
G. E.
Morfill
, and
A. V.
Ivlev
,
Phys. Rev. E
96
,
043201
(
2017
).
45.
L.
Couedel
,
V.
Nosenko
,
M.
Rubin-Zuzic
,
S.
Zhdanov
,
Y.
Elskens
,
T.
Hall
, and
A. V.
Ivlev
,
Phys. Rev. E
97
,
043206
(
2018
).
46.
N. P.
Kryuchkov
,
E. V.
Yakovlev
,
E. A.
Gorbunov
,
L.
Couedel
,
A. M.
Lipaev
, and
S. O.
Yurchenko
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
075003
(
2018
).
47.
L.
Couedel
,
V. M.
Nosenko
,
S.
Zhdanov
,
A. V.
Ivlev
,
I.
Laut
,
E. V.
Yakovlev
,
N. P.
Kryuchkov
,
P. V.
Ovcharov
,
A. M.
Lipaev
, and
S. O.
Yurchenko
,
Phys.-Usp.
62
,
965
980
(
2019
).
48.
B.
Li
,
D.
Zhou
, and
Y.
Han
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
15011
(
2016
).
50.
T.
Palberg
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
333101
(
2014
).
51.
E.
Allahyarov
,
K.
Sandomirski
,
S.
Egelhaaf
, and
H.
Löwen
,
Nat. Commun.
6
,
7110
(
2015
).
52.
Z.
Wang
,
F.
Wang
,
Y.
Peng
, and
Y.
Han
,
Nat. Commun.
6
,
6942
(
2015
).
53.
C. P.
Royall
,
M. E.
Leunissen
,
A.-P.
Hynninen
,
M.
Dijkstra
, and
A.
van Blaaderen
,
J. Chem. Phys.
124
,
244706
(
2006
).
54.
J. C.
Everts
,
N.
Boon
, and
R.
van Roij
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
5211
(
2016
).
55.
J.
Taffs
,
S. R.
Williams
,
H.
Tanaka
, and
C. P.
Royall
,
Soft Matter
9
,
297
(
2013
).
56.
J.
Sprakel
,
A.
Zaccone
,
F.
Spaepen
,
P.
Schall
, and
D. A.
Weitz
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
088003
(
2017
).
57.
A.
Kozina
,
P.
Díaz-Leyva
,
T.
Palberg
, and
E.
Bartsch
,
Soft Matter
10
,
9523
(
2014
).
58.
D.
Paloli
,
P. S.
Mohanty
,
J. J.
Crassous
,
E.
Zaccarelli
, and
P.
Schurtenberger
,
Soft Matter
9
,
3000
(
2013
).
59.
J.-M.
Meijer
and
J. J.
Crassous
,
Small
14
,
1802049
(
2018
).
60.
M.
Chaudhuri
,
E.
Allahyarov
,
H.
Löwen
,
S.
Egelhaaf
, and
D.
Weitz
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
128001
(
2017
).
61.
Y.
Peng
,
W.
Li
,
F.
Wang
,
T.
Still
,
A. G.
Yodh
, and
Y.
Han
,
Nat. Commun.
8
,
14978
(
2017
).
62.
V. J.
Anderson
and
H. N. W.
Lekkerkerker
,
Nature
416
,
811
(
2002
).
63.
C. P.
Royall
,
D. G. A. L.
Aarts
, and
H.
Tanaka
,
Nat. Phys.
3
,
636
(
2007
).
64.
I.
Zhang
,
C. P.
Royall
,
M. A.
Faers
, and
P.
Bartlett
,
Soft Matter
9
,
2076
(
2013
).
65.
C. P.
Royall
and
S. R.
Williams
,
Phys. Rep.
560
,
1
(
2015
).
66.
F.
Turci
,
C. P.
Royall
, and
T.
Speck
,
Phys. Rev. X
7
,
031028
(
2017
).
67.
C. P.
Royall
,
S. R.
Williams
, and
H.
Tanaka
,
J. Chem. Phys.
148
,
044501
(
2018
).
68.
A.
Zaccone
,
J. J.
Crassous
, and
M.
Ballauff
,
J. Chem. Phys.
138
,
104908
(
2013
).
69.
D.
Richard
,
J.
Hallett
,
T.
Speck
, and
C. P.
Royall
,
Soft Matter
14
,
5554
(
2018
).
70.
J. A.
Weiss
,
A. E.
Larsen
, and
D. G.
Grier
,
J. Chem. Phys.
109
,
8659
(
1998
).
71.
H.
Löwen
,
J. Phys.: Condens. Matter
4
,
10105
(
1992
).
72.
P.
Hartmann
,
G. J.
Kalman
,
Z.
Donkó
, and
K.
Kutasi
,
Phys. Rev. E
72
,
026409
(
2005
).
73.
W.-K.
Qi
,
S.-M.
Qin
,
X.-Y.
Zhao
, and
Y.
Chen
,
J. Phys.: Condens. Matter
20
,
245102
(
2008
).
74.
W.-K.
Qi
,
Z.
Wang
,
Y.
Han
, and
Y.
Chen
,
J. Chem. Phys.
133
,
234508
(
2010
).
75.
I. L.
Semenov
,
S. A.
Khrapak
, and
H. M.
Thomas
,
Phys. Plasmas
22
,
114504
(
2015
).
76.
Z.
Donkó
,
G. J.
Kalman
, and
P.
Hartmann
,
J. Phys.: Condens. Matter
20
,
413101
(
2008
).
77.
A.
Yazdi
,
M.
Heinen
,
A.
Ivlev
,
H.
Löwen
, and
M.
Sperl
,
Phys. Rev. E
91
,
052301
(
2015
).
78.
S.
Khrapak
,
J. Chem. Phys.
148
,
146101
(
2018
).
79.
S.
Hamaguchi
,
R. T.
Farouki
, and
D. H. E.
Dubin
,
Phys. Rev. E
56
,
4671
(
1997
).
80.
N. P.
Kryuchkov
,
F.
Smallenburg
,
A. V.
Ivlev
,
S. O.
Yurchenko
, and
H.
Löwen
,
J. Chem. Phys.
150
,
104903
(
2019
).
81.
V.
Sharma
,
Q.
Yan
,
C.
Wong
,
W. C.
Carter
, and
Y.-M.
Chiang
,
J. Colloid Interface Sci.
333
,
230
(
2009
).
82.
E. V.
Yakovlev
,
K. A.
Komarov
,
K. I.
Zaytsev
,
N. P.
Kryuchkov
,
K. I.
Koshelev
,
A. K.
Zotov
,
D. A.
Shelestov
,
V. L.
Tolstoguzov
,
V. N.
Kurlov
,
A. V.
Ivlev
, and
S. O.
Yurchenko
,
Sci. Rep.
7
,
13727
(
2017
).
83.
E. V.
Yakovlev
,
P. V.
Ovcharov
, and
S. O.
Yurchenko
,
J. Phys.: Conf. Ser.
1135
,
012039
(
2018
).
84.
K. A.
Komarov
,
N. P.
Kryuchkov
, and
S. O.
Yurchenko
,
Soft Matter
14
,
9657
(
2018
).
85.
P. V.
Ovcharov
,
N. P.
Kryuchkov
,
K. I.
Zaytsev
, and
S. O.
Yurchenko
,
J. Phys. Chem. C
121
,
26860
(
2017
).
86.
S. C.
Kapfer
and
W.
Krauth
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
035702
(
2015
).
87.
V. N.
Ryzhov
,
E. E.
Tareyeva
,
Y. D.
Fomin
, and
E. N.
Tsiok
,
Phys.-Usp.
60
,
857
(
2017
).
88.
L.
Couëdel
,
V.
Nosenko
,
A. V.
Ivlev
,
S. K.
Zhdanov
,
H. M.
Thomas
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
195001
(
2010
).
89.
T. B.
Röcker
,
L.
Couëdel
,
S. K.
Zhdanov
,
V.
Nosenko
,
A. V.
Ivlev
,
H. M.
Thomas
, and
G. E.
Morfill
,
Europhys. Lett.
106
,
45001
(
2014
).
90.
M.
Chaudhuri
,
I.
Semenov
,
V.
Nosenko
, and
H. M.
Thomas
,
Phys. Rev. E
93
,
053202
(
2016
).
91.
S. S.
Rogers
,
T. A.
Waigh
,
X.
Zhao
, and
J. R.
Lu
,
Phys. Biol.
4
,
220
(
2007
).
92.
Y.
Feng
,
J.
Goree
, and
B.
Liu
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
053704
(
2007
).
93.
S. K.
Zhdanov
,
A. V.
Ivlev
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Plasmas
16
,
083706
(
2009
).
94.
C.
Russ
,
H. H.
von Grünberg
,
M.
Dijkstra
, and
R.
van Roij
,
Phys. Rev. E
66
,
011402
(
2002
).
95.
A.-P.
Hynninen
,
M.
Dijkstra
, and
R.
van Roij
,
J. Phys.: Condens. Matter
15
,
S3549
(
2003
).
96.
A.-P.
Hynninen
,
M.
Dijkstra
, and
R.
van Roij
,
Phys. Rev. E
69
,
061407
(
2004
).
97.
A. V.
Ivlev
,
S. K.
Zhdanov
,
S. A.
Khrapak
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Rev. E
71
,
016405
(
2005
).
98.
R.
Kompaneets
,
G. E.
Morfill
, and
A. V.
Ivlev
,
Phys. Rev. E
93
,
063201
(
2016
).
99.
C.
Russ
,
M.
Brunner
,
C.
Bechinger
, and
H. H.
von Grünberg
,
Europhys. Lett.
69
,
468
(
2005
).
100.
D.
Reinke
,
H.
Stark
,
H.-H.
von Grünberg
,
A. B.
Schofield
,
G.
Maret
, and
U.
Gasser
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
038301
(
2007
).
101.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
(
1995
).
102.
See http://lammps.sandia.gov for information about the classical molecular dynamics code LAMMPS.
103.
S. A.
Khrapak
,
A. G.
Khrapak
,
N. P.
Kryuchkov
, and
S. O.
Yurchenko
,
J. Chem. Phys.
150
,
104503
(
2019
).
104.
S. A.
Khrapak
,
N. P.
Kryuchkov
,
L. A.
Mistryukova
,
A. G.
Khrapak
, and
S. O.
Yurchenko
,
J. Chem. Phys.
149
,
134114
(
2018
).
105.
M. J.
Pond
,
J. R.
Errington
, and
T. M.
Truskett
,
J. Chem. Phys.
135
,
124513
(
2011
).
106.
R.
Kurita
,
D. B.
Ruffner
, and
E. R.
Weeks
,
Nat. Commun.
3
,
1127
(
2012
).
107.
M.
Heinen
,
P.
Holmqvist
,
A. J.
Banchio
, and
G.
Nägele
,
J. Chem. Phys.
134
,
044532
(
2011
).
108.
K.
van Gruijthuijsen
,
M.
Obiols-Rabasa
,
M.
Heinen
,
G.
Nägele
, and
A.
Stradner
,
Langmuir
29
,
11199
(
2013
).
You do not currently have access to this content.