In this paper, we present experimental observation of the transition of a 2D dust crystal to a non-equilibrium solid–liquid phase coexistence state. The experiments have been carried out in an L-shaped dusty plasma experimental device in a DC glow discharge argon plasma environment. Initially, a monolayer crystalline structure is formed, which is later transformed to a two-phase coexistence state using the background neutral pressure as a control parameter. Self-excited horizontal oscillations are found in the center of the monolayer prior to the appearance of the coexistence state. It is observed that a molten center coexists with a solid periphery. Various structural, thermodynamic, and dynamical quantities are used to characterize the phase state. The surface tension at the solid–liquid circular interface is also determined. A detailed parametric study is made to delineate the existence region of such a state. It is found that melting caused at the core is due to the onset of a localized Schweigert instability in the presence of a few stray particles beneath the top layer in that region.

1.
Y.
Oono
and
M.
Paniconi
,
Prog. Theor. Phys. Suppl.
130
,
29
(
1998
).
2.
T.
Hatano
and
S.-I.
Sasa
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
3463
(
2001
).
3.
S.
Chatterjee
,
P.
Pradhan
, and
P. K.
Mohanty
,
Phys. Rev. E
91
,
062136
(
2015
).
4.
S.‐I.
Sasa
and
H.
Tasaki
,
J. Stat. Phys.
125
,
125
(
2006
).
5.
S. A. P.
van Rossum
,
M.
Tena-Solsona
,
J. H.
van Esch
,
R.
Eelkema
, and
J.
Boekhoven
,
Chem. Soc. Rev.
46
,
5519
(
2017
).
6.
J.
Jhawar
,
R. G.
Morris
,
U. R.
Amith-Kumar
,
M.
Danny Raj
,
T.
Rogers
,
H.
Rajendran
, and
V.
Guttal
,
Nat. Phys.
16
,
488
(
2020
).
7.
T.
Sanchez
,
D. T. N.
Chen
,
S. J.
DeCamp
,
M.
Heymann
, and
Z.
Dogic
,
Nature
491
,
431
(
2012
).
8.
R. D.
Astumian
and
P.
Hänggi
,
Phys. Today
55
(
11
),
33
(
2002
).
9.
D.
Keller
and
C.
Bustamante
,
Biophys. J.
78
,
541
(
2000
).
10.
H.
Jia
,
J.
Flommersfeld
,
M.
Heymann
,
S. K.
Vogel
,
H. G.
Franquelim
,
D. B.
Brückner
,
H.
Eto
,
C. P.
Broedersz
, and
P.
Schwille
,
Nat. Mater.
21
,
703
(
2022
).
12.
A.
Prevost
,
P.
Melby
,
D. A.
Egolf
, and
J. S.
Urbach
,
Phys. Rev. E
70
,
050301
(
2004
).
13.
F.
Peruani
,
J.
Starruß
,
V.
Jakovljevic
,
L.
Søgaard-Andersen
,
A.
Deutsch
, and
M.
Bär
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
098102
(
2012
).
14.
S.
Mandal
,
B.
Liebchen
, and
H.
Löwen
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
228001
(
2019
).
15.
M.
Losurdo
,
A.
Suvorova
,
S.
Rubanov
,
K.
Hingerl
, and
A. S.
Brown
,
Nat. Mater.
15
,
995
(
2016
).
16.
M.
Schmidt
,
R.
Kusche
,
W.
Kronmüller
,
B.
von Issendorff
, and
H.
Haberland
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
99
(
1997
).
17.
G. A.
Breaux
,
R. C.
Benirschke
, and
M. F.
Jarrold
,
J. Chem. Phys.
121
,
6502
(
2004
).
18.
M.
Schmidt
,
T.
Hippler
,
J.
Donges
,
W.
Kronmüller
,
B.
von Issendorff
,
H.
Haberland
, and
P.
Labastie
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
203402
(
2001
).
19.
M.
Chaudhuri
,
E.
Allahyarov
,
H.
Löwen
,
S. U.
Egelhaaf
, and
D. A.
Weitz
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
128001
(
2017
).
20.
C. L.
Briant
and
J. J.
Burton
,
J. Chem. Phys.
63
,
2045
(
1975
).
21.
22.
J. T.
Siebert
,
J.
Letz
,
T.
Speck
, and
P.
Virnau
,
Soft Matter
13
,
1020
(
2017
).
23.
G. S.
Redner
,
A.
Baskaran
, and
M. F.
Hagan
,
Phys. Rev. E
88
,
012305
(
2013
).
24.
Y-f
He
,
B-q
Ai
,
C-x
Dai
,
C.
Song
,
R-q
Wang
,
W-t
Sun
,
F-c
Liu
, and
Y.
Feng
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
075001
(
2020
).
25.
Y.
Feng
,
J.
Goree
,
B.
Liu
, and
E. G. D.
Cohen
,
Phys. Rev. E
84
,
046412
(
2011
).
26.
C.-S.
Wong
,
J.
Goree
,
Z.
Haralson
, and
B.
Liu
,
Nat. Phys.
14
,
21
(
2018
).
27.
J. H.
Chu
and
L.
I
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
4009
(
1994
).
28.
Y.
Hayashi
and
K.
Tachibana
,
Japanese J. Appl. Phys.
33
,
L804
(
1994
).
29.
V. A.
Schweigert
,
I. V.
Schweigert
,
A.
Melzer
,
A.
Homann
, and
A.
Piel
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
5345
(
1998
).
30.
M. G.
Hariprasad
,
P.
Bandyopadhyay
,
G.
Arora
, and
A.
Sen
,
Phys. Rev. E
101
,
043209
(
2020
).
31.
S.
Singh
,
P.
Bandyopadhyay
,
K.
Kumar
, and
A.
Sen
,
Phys. Rev. Lett.
129
,
115003
(
2022
).
32.
A. V.
Ivlev
,
U.
Konopka
,
G.
Morfill
, and
G.
Joyce
,
Phys. Rev. E
68
,
026405
(
2003
).
33.
V. V.
Yaroshenko
,
A. V.
Ivlev
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Rev. E
71
,
046405
(
2005
).
34.
S. K.
Zhdanov
,
A. V.
Ivlev
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Plasmas
16
,
083706
(
2009
).
35.
V.
Nosenko
,
S. K.
Zhdanov
,
A. V.
Ivlev
,
C. A.
Knapek
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
015001
(
2009
).
36.
L.
Couëdel
,
V.
Nosenko
,
A. V.
Ivlev
,
S. K.
Zhdanov
,
H. M.
Thomas
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
195001
(
2010
).
37.
L.
Couëdel
,
S. K.
Zhdanov
,
A. V.
Ivlev
,
V.
Nosenko
,
H. M.
Thomas
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Plasmas
18
,
083707
(
2011
).
38.
J. D.
Williams
,
E.
Thomas
,
L.
Couëdel
,
A. V.
Ivlev
,
S. K.
Zhdanov
,
V.
Nosenko
,
H. M.
Thomas
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Rev. E
86
,
046401
(
2012
).
39.
T. B.
Röcker
,
A. V.
Ivlev
,
R.
Kompaneets
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Plasmas
19
,
033708
(
2012
).
40.
K.
Qiao
,
J.
Kong
,
J.
Carmona-Reyes
,
L. S.
Matthews
, and
T. W.
Hyde
,
Phys. Rev. E
90
,
033109
(
2014
).
41.
A.
Ivlev
,
V.
Nosenko
, and
T.
Röcker
,
Contrib. Plasma Phys.
55
,
35
(
2015
).
42.
L.
Couëdel
and
V.
Nosenko
,
Phys. Rev. E
105
,
015210
(
2022
).
43.
A. V.
Ivlev
,
U.
Konopka
, and
G.
Morfill
,
Phys. Rev. E
62
,
2739
(
2000
).
44.
S.
Nunomura
,
T.
Misawa
,
N.
Ohno
, and
S.
Takamura
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
1970
(
1999
).
45.
G.
Gogia
and
J. C.
Burton
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
178004
(
2017
).
46.
J.
Méndez Harper
,
G.
Gogia
,
B.
Wu
,
Z.
Laseter
, and
J. C.
Burton
,
Phys. Rev. Res.
2
,
033500
(
2020
).
47.
V. A.
Schweigert
,
I. V.
Schweigert
,
A.
Melzer
,
A.
Homann
, and
A.
Piel
,
Phys. Rev. E
54
,
4155
(
1996
).
48.
I. V.
Schweigert
,
V. A.
Schweigert
,
A.
Melzer
, and
A.
Piel
,
Phys. Rev. E
62
,
1238
(
2000
).
49.
E. V.
Vasilieva
,
O. F.
Petrov
, and
M. M.
Vasiliev
,
Sci. Rep.
11
,
523
(
2021
).
50.
T. E.
Sheridan
,
Phys. Plasmas
15
,
103702
(
2008
).
51.
S. O.
Yurchenko
,
E. V.
Yakovlev
,
L.
Couëdel
,
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
).
52.
V. S.
Nikolaev
and
A. V.
Timofeev
,
Phys. Plasmas
28
,
033704
(
2021
).
53.
S. K.
Zhdanov
,
L.
Couëdel
,
V.
Nosenko
,
H. M.
Thomas
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Plasmas
22
,
053703
(
2015
).
54.
V.
Nosenko
,
S. K.
Zhdanov
,
H. M.
Thomas
,
J.
Carmona-Reyes
, and
T. W.
Hyde
,
Phys. Rev. E
96
,
011201
(
2017
).
55.
S. K.
Zhdanov
,
V.
Nosenko
,
H. M.
Thomas
,
G. E.
Morfill
, and
L.
Couëdel
,
Phys. Rev. E
89
,
023103
(
2014
).
56.
V.
Nosenko
,
A. V.
Ivlev
,
R.
Kompaneets
, and
G.
Morfill
,
Phys. Plasmas
21
,
113701
(
2014
).
57.
D.
Samsonov
,
J.
Goree
,
Z. W.
Ma
,
A.
Bhattacharjee
,
H. M.
Thomas
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
3649
(
1999
).
58.
V.
Nosenko
and
J.
Goree
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
155004
(
2004
).
59.
M. G.
Hariprasad
,
P.
Bandyopadhyay
,
V. S.
Nikolaev
,
D. A.
Kolotinskii
,
S.
Arumugam
,
G.
Arora
,
S.
Singh
,
A.
Sen
, and
A. V.
Timofeev
,
Sci. Rep.
12
,
13882
(
2022
).
60.
R.
Ichiki
,
Y.
Ivanov
,
M.
Wolter
,
Y.
Kawai
, and
A.
Melzer
,
Phys. Rev. E
70
,
066404
(
2004
).
61.
S.
Arumugam
,
P.
Bandyopadhyay
,
S.
Singh
,
M. G.
Hariprasad
,
D.
Rathod
,
G.
Arora
, and
A.
Sen
,
Plasma Sources Sci. Technol.
30
,
085003
(
2021
).
62.
R. A.
Quinn
and
J.
Goree
,
Phys. Rev. E
61
,
3033
(
2000
).
63.
C. A.
Knapek
,
A. V.
Ivlev
,
B. A.
Klumov
,
G. E.
Morfill
, and
D.
Samsonov
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
015001
(
2007
).
64.
M.
Bonitz
,
J.
Lopez
,
K.
Becker
, and
H.
Thomsen
,
Complex Plasmas, Scientific Challenges and Technological Opportunities
, Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics (
Springer
,
2014
).
65.
R. A.
Quinn
,
C.
Cui
,
J.
Goree
,
J. B.
Pieper
,
H.
Thomas
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Rev. E
53
,
R2049
(
1996
).
66.
J. M.
Kosterlitz
and
D. J.
Thouless
,
J. Phys. C: Solid State Phys.
6
,
1181
(
1973
).
67.
R. A.
Quinn
and
J.
Goree
,
Phys. Rev. E
64
,
051404
(
2001
).
68.
S.
Nunomura
,
D.
Samsonov
,
S.
Zhdanov
, and
G.
Morfill
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
015003
(
2006
).
69.
J. G.
Kirkwood
and
F. P.
Buff
,
J. Chem. Phys.
17
,
338
(
1949
).
70.
T.
Savin
,
K. S.
Glavatskiy
,
S.
Kjelstrup
,
H. C.
Öttinger
, and
D.
Bedeaux
,
Europhys. Lett.
97
,
40002
(
2012
).
71.
M.
Schweizer
,
H. C.
Öttinger
, and
T.
Savin
,
Phys. Rev. E
93
,
052803
(
2016
).
72.
D.
Polyakov
,
V.
Shumova
, and
L.
Vasilyak
,
Phys. Lett. A
389
,
127082
(
2021
).
73.
H.
Ohta
and
S.
Hamaguchi
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
6026
(
2000
).
74.
Y.
Liu
,
B.
Liu
,
Y.
Chen
,
S.-Z.
Yang
,
L.
Wang
, and
X.
Wang
,
Phys. Rev. E
67
,
066408
(
2003
).
75.
S.
Nunomura
,
J.
Goree
,
S.
Hu
,
X.
Wang
,
A.
Bhattacharjee
, and
K.
Avinash
,
Phys. Rev. Lett.
89
(
3
),
035001
(
2002
).
76.
W.
Li
,
D.
Huang
,
K.
Wang
,
C.
Reichhardt
,
C. J. O.
Reichhardt
,
M. S.
Murillo
, and
Y.
Feng
,
Phys. Rev. E
98
,
063203
(
2018
).
77.
L.
Couëdel
,
S.
Zhdanov
,
V.
Nosenko
,
A. V.
Ivlev
,
H. M.
Thomas
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Rev. E
89
,
053108
(
2014
).
78.
B.
Liu
,
J.
Goree
, and
Y.
Feng
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
085004
(
2010
).
79.
J. K.
Meyer
,
I.
Laut
,
S. K.
Zhdanov
,
V.
Nosenko
, and
H. M.
Thomas
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
255001
(
2017
).
80.
V.
Nosenko
,
S. K.
Zhdanov
,
J.
Carmona-Reyes
, and
T. W.
Hyde
,
Phys. Plasmas
25
,
093702
(
2018
).
81.
L. S.
Matthews
,
D. L.
Sanford
,
E. G.
Kostadinova
,
K. S.
Ashrafi
,
E.
Guay
, and
T. W.
Hyde
,
Phys. Plasmas
27
,
023703
(
2020
).
You do not currently have access to this content.