Двумерный газ
Двумерный газ — это совокупность объектов, вынужденных двигаться в плоском или другом двумерном пространстве в газообразном состоянии. Объектами могут быть: классические элементы идеального газа , такие как твердые диски, испытывающие упругие столкновения ; элементарные частицы или любой ансамбль отдельных объектов в физике , который подчиняется законам движения без обязательных взаимодействий. Понятие двумерного газа используется либо потому, что:
- изучаемый вопрос фактически имеет место в двух измерениях (как некоторые поверхностные молекулярные явления); или,
- двумерная форма задачи более разрешима, чем аналогичная математически более сложная трехмерная задача .
В то время как физики веками изучали простые взаимодействия двух тел на плоскости, внимание, уделяемое двумерному газу (в котором много тел находится в движении), является задачей 20-го века. Применение привело к лучшему пониманию сверхпроводимости . [1] газа термодинамика , некоторые проблемы твердого тела и некоторые вопросы квантовой механики .
Классическая механика
[ редактировать ]
Исследования в Принстонском университете в начале 1960-х годов [2] поставил вопрос о том, могут ли статистика Максвелла-Больцмана и другие термодинамические законы быть выведены из законов Ньютона , применяемых к системам многих тел, а не с помощью традиционных методов статистической механики . Хотя этот вопрос кажется неразрешимым с точки зрения трехмерного решения в замкнутой форме , проблема ведет себя по-другому в двумерном пространстве. В частности, идеальный двумерный газ был рассмотрен с точки зрения времени релаксации до равновесного распределения скоростей при нескольких произвольных начальных условиях идеального газа. Было показано, что время релаксации очень быстрое: порядка среднего свободного времени .
В 1996 году был применен вычислительный подход к неравновесной задаче классической механики о тепловом потоке в двумерном газе. [3] Эта работа по моделированию показала, что для N>1500 достигается хорошее согласие с непрерывными системами.
Электронный газ
[ редактировать ]
Хотя принцип циклотрона для создания двумерного массива электронов существует с 1934 года, изначально этот инструмент не использовался для анализа взаимодействий между электронами (например, двумерной газовой динамики ). Раннее научное исследование изучало поведение циклотронного резонанса и эффект де Хааса – Ван Альфена в двумерном электронном газе. [4] Исследователю удалось показать, что для двумерного газа период колебаний де Гааза–ван Альфена не зависит от короткодействующих электронных взаимодействий.
Более поздние применения бозе-газа
[ редактировать ]В 1991 году было теоретически доказано, что бозе-газ может существовать в двух измерениях. [5] В той же работе была дана экспериментальная рекомендация, которая могла бы проверить гипотезу.
Экспериментальные исследования с молекулярным газом
[ редактировать ]В целом, двумерные молекулярные газы экспериментально наблюдаются на слабо взаимодействующих поверхностях, таких как металлы, графен и т. д., при некриогенной температуре и низком покрытии поверхности. Поскольку прямое наблюдение отдельных молекул невозможно из-за быстрой диффузии молекул по поверхности, эксперименты бывают либо косвенными (наблюдение взаимодействия 2D-газа с окружающей средой, например, конденсация 2D-газа), либо интегральными (измерение интегральных свойств 2D-газа). газов, например, методами дифракции).
Примером косвенного наблюдения двумерного газа является исследование Страника и др. который использовал сканирующий туннельный микроскоп в сверхвысоком вакууме (СВВ) для изображения взаимодействия двумерного слоя бензола в контакте с плоской поверхностью раздела твердого тела при температуре К. 77 [6] Экспериментаторам удалось наблюдать подвижные молекулы бензола на поверхности Cu(111), к которой прилипла плоская мономолекулярная пленка твердого бензола. Таким образом, ученые смогли засвидетельствовать равновесие газа в контакте с его твердым состоянием.
Интегральные методы, которые способны охарактеризовать двумерный газ, обычно попадают в категорию дифракции (см., например, исследование Kroger et al. [7] ). Исключением является работа Matvija et al. который использовал сканирующий туннельный микроскоп для прямой визуализации локальной усредненной по времени плотности молекул на поверхности. [8] Этот метод имеет особое значение, поскольку дает возможность исследовать локальные свойства двумерных газов; например, он позволяет напрямую визуализировать парную корреляционную функцию двумерного молекулярного газа в реальном пространстве.
Если увеличить покрытие поверхности адсорбатами, двумерная жидкость , образуется [9] за которым следует 2D твердое тело. Показано, что переходом из 2D-газа в 2D-твердое состояние можно управлять с помощью сканирующего туннельного микроскопа , который может влиять на локальную плотность молекул посредством электрического поля. [10]
Значение для будущих исследований
[ редактировать ]Существует множество направлений исследований теоретической физики для изучения двумерного газа, таких как: [ нужна ссылка ]
- Сложные явления квантовой механики , решения которых могут быть более подходящими в двумерной среде;
- Исследования фазовых переходов (например, явлений плавления на плоской поверхности );
- Явления тонких пленок , такие как химическое осаждение из паровой фазы ;
- Поверхностные возбуждения твердого тела.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Фельд; и др. (2011). «Наблюдение парной псевдощели в двумерном газе». Природа . 480 (7375): 75–78. arXiv : 1110.2418 . Бибкод : 2011Natur.480...75F . дои : 10.1038/nature10627 . ПМИД 22129727 . S2CID 4425050 .
- ^ CMHogan, Неравновесная статистическая механика двумерного газа , Диссертация, Физический факультет Принстонского университета, 4 мая 1964 г.
- ^ Д. Риссо и П. Кордеро, Двумерный газ дисков: теплопроводность , Журнал статистической физики , том 82, страницы 1453–1466, (1996)
- ^ Кон, Уолтер (1961). «Циклотронный резонанс и колебания де Гааса – ван Альфена взаимодействующего электронного газа» . Физический обзор . 123 (4): 1242–1244. Бибкод : 1961PhRv..123.1242K . дои : 10.1103/physrev.123.1242 .
- ^ Вандерлей Баньято и Дэниел Клеппнер. Бозе – Эйнштейна Конденсация в низкоразмерных ловушках , Американское физическое общество , 8 апреля 1991 г.
- ^ Страник, SJ; Камна, ММ; Вайс П.С. Динамика в атомном масштабе двумерной границы раздела газ-твердое тело , Университет штата Пенсильвания, химический факультет Парка, 3 июня 1994 г.
- ^ Крогер, И. (2009). «Настройка межмолекулярного взаимодействия в субмонослойных органических пленках дальнего порядка». Физика природы . 5 (2): 153–158. Бибкод : 2009НатФ...5..153С . дои : 10.1038/nphys1176 .
- ^ Матвия, Питер; Розборжил, Филип; Соботик, Павел; Оштядал, Иван; Кочан, Павел (2017). «Парная корреляционная функция двумерного молекулярного газа, непосредственно визуализируемая с помощью сканирующей туннельной микроскопии». Журнал писем по физической химии . 8 (17): 4268–4272. doi : 10.1021/acs.jpclett.7b01965 . ПМИД 28830146 .
- ^ Томас Вальдманн; Йенс Кляйн; Гарри Э. Хостер; Р. Юрген Бем (2012), «Стабилизация крупных адсорбатов с помощью вращательной энтропии: исследование СТМ с временным разрешением и переменной температурой», ChemPhysChem (на немецком языке), vol. 14, нет. 1, стр. 162–169, doi : 10.1002/cphc.201200531 , PMID 23047526 , S2CID 36848079
- ^ Матвия, Питер; Розборжил, Филип; Соботик, Павел; Оштядал, Иван; Печирак, Барбара; Юрчишин, Лешек; Кочан, Павел (2017). «Фазовый переход, управляемый электрическим полем, в двумерном молекулярном слое» . Научные отчеты . 7 (1): 7357. Бибкод : 2017НатСР...7.7357М . дои : 10.1038/s41598-017-07277-7 . ПМЦ 5544747 . ПМИД 28779091 .