Двумерный газ - Two-dimensional gas

А двумерный газ представляет собой набор объектов, которые могут перемещаться по плоскости или по двум другим направлениям.размерный место в газообразный государственный. Объекты могут быть: классическими идеальный газ такие элементы, как жесткие диски проходящий упругие столкновения; элементарные частицы, или любой ансамбль отдельных объектов в физика который подчиняется законы движения без связывающих взаимодействий. Концепция двумерного газа используется либо потому, что:

  • а) изучаемый вопрос на самом деле имеет место в двух измерениях (как некоторая поверхность молекулярный явления); или же,
  • б) двумерная форма задачи более разрешима, чем аналогичная математически более сложный трех-размерный проблема.

Пока физики учился простой взаимодействие двух тел на плоскости на протяжении веков внимание, уделяемое двумерному газу (имеющему множество движущихся тел), - это стремление 20 века. Приложения привели к лучшему пониманию сверхпроводимость,[1] газ термодинамика, определенный твердое состояние проблемы и несколько вопросов в квантовая механика.

Классическая механика

Двумерное упругое столкновение

Исследования в Университет Принстона в начале 1960-х[2] поставил вопрос о том, Статистика Максвелла – Больцмана и другие термодинамические законы могут быть получены из Ньютоновский законы, применяемые к системам нескольких тел, а не с помощью обычных методов статистическая механика. Хотя этот вопрос кажется неразрешимым с трехмерной закрытая форма решения, задача в двумерном пространстве ведет себя иначе. В частности, идеальный двумерный газ исследовался с точки зрения времени релаксации до равновесие скорость распределение задано несколько произвольных начальных условий идеального газа. Время релаксации оказались очень быстрыми: порядка среднее свободное время .

В 1996 г. был применен вычислительный подход к решению неравновесной задачи классической механики. тепловой поток в двумерном газе.[3] Это моделирование показало, что для N> 1500 получается хорошее согласие с непрерывными системами.

Электронный газ

Смотрите также: Двумерный электронный газ и Ферми газ
Схема циклотрон операция от Лоуренса Патент 1934 г.

Хотя принцип циклотрон создать двумерный массив электроны существует с 1934 г., инструмент изначально не использовался для анализа взаимодействий между электронами (например, двумерный газовая динамика ). Раннее исследование изучило циклотронный резонанс поведение и эффект де Хааса – ван Альфена в двумерном электронном газе.[4] Исследователю удалось продемонстрировать, что для двумерного газа период колебаний де Гааза – ван Альфена не зависит от короткодействующих электронных взаимодействий.

Более поздние приложения к бозе-газу

В 1991 г. было сделано теоретическое доказательство того, что Бозе-газ может существовать в двух измерениях.[5] В той же работе была дана экспериментальная рекомендация, которая могла проверить гипотезу.

Экспериментальные исследования с молекулярным газом

Обычно двумерные молекулярные газы экспериментально наблюдаются на слабовзаимодействующих поверхностях, таких как металлы, графен и т. д. при некриогенной температуре и малом покрытии поверхности. Поскольку прямое наблюдение отдельных молекул невозможно из-за быстрой диффузии молекул по поверхности, эксперименты являются либо косвенными (наблюдение взаимодействия 2D-газа с окружающей средой, например, конденсация 2D-газа), либо интегральными (измерение интегральных свойств 2D-газа). газы, например дифракционными методами).

Примером косвенного наблюдения за двумерным газом является исследование Стрэника и др. кто использовал сканирующий туннельный микроскоп в сверхвысокий вакуум (UHV) для изображения взаимодействия двухмерного бензол слой газа в контакте с плоской твердой поверхностью на 77 кельвины.[6] Экспериментаторам удалось наблюдать подвижные молекулы бензола на поверхности Cu (111), к которой прилипла плоская мономолекулярная пленка твердого бензола. Таким образом, ученые могли наблюдать равновесие газа в его твердом состоянии.

Интегральные методы, которые могут характеризовать двумерный газ, обычно попадают в категорию дифракция (см., например, исследование Kroger et al.[7]). Исключение составляет работа Matvija et al. кто использовал сканирующий туннельный микроскоп для непосредственной 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 непосредственно визуализировать парная корреляционная функция двумерного молекулярного газа в реальном пространстве.

Если покрытие поверхности адсорбатом увеличивается, 2D жидкость сформирован,[9] за которым следует двухмерное твердое тело. Было показано, что переход от 2D-газа к 2D-твердому состоянию можно контролировать с помощью сканирующий туннельный микроскоп которые могут влиять на локальную плотность молекул через электрическое поле.[10]

Значение для будущих исследований

Существует множество направлений исследований теоретической физики для изучения двумерного газа. Примеры таких

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Фельд; и другие. (2011). «Наблюдение псевдощели спаривания в двумерном газе». Природа. 480 (7375): 75–78. arXiv:1110.2418. Bibcode:2011Натура 480 ... 75F. Дои:10.1038 / природа10627. PMID  22129727. S2CID  4425050.
  2. ^ К. М. Хоган, Неравновесная статистическая механика двумерного газа, Диссертация, Принстонский университет, факультет физики, 4 мая 1964 г.
  3. ^ Д. Риссо и П. Кордеро, Двумерный газ дисков: Теплопроводность, Журнал статистической физики, том 82, страницы 1453–1466, (1996)
  4. ^ Кон, Уолтер (1961). «Циклотронный резонанс и колебания де Гааза – ван Альфена взаимодействующего электронного газа». Физический обзор. 123 (4): 1242–1244. Bibcode:1961ПхРв..123.1242К. Дои:10.1103 / Physrev.123.1242.
  5. ^ Вандерлей Баньято и Даниэль Клеппнер. Бозе-Эйнштейн конденсация в ловушках малой размерности, Американское физическое общество, 8 апреля 1991 г.
  6. ^ Страник, С. Дж .; Камна, М. М.; Вайс, П. С, Атомно-масштабная динамика двумерной границы раздела газ-твердое тело, Государственный университет Пенсильвании, химический факультет Парка, 3 июня 1994 г.
  7. ^ Крогер, И. (2009). «Настройка межмолекулярного взаимодействия в субмонослойных длинноупорядоченных органических пленках». Природа Физика. 5 (2): 153–158. Bibcode:2009НатФ ... 5..153С. Дои:10.1038 / nphys1176.
  8. ^ Матвия, Петр; Розборжил, Филип; Соботик, Павел; Ошлядал, Иван; Кочан, Павел (2017). «Парная корреляционная функция двумерного молекулярного газа, непосредственно визуализированная с помощью сканирующей туннельной микроскопии». Письма в Журнал физической химии. 8 (17): 4268–4272. Дои:10.1021 / acs.jpclett.7b01965. PMID  28830146.
  9. ^ Томас Вальдманн; Йенс Кляйн; Гарри Э. Хостер; Р. Юрген Бем (2012), "Стабилизация больших адсорбатов вращательной энтропией: исследование СТМ с переменной температурой с временным разрешением", ХимФисХим (на немецком), 14 (1), стр. 162–169, Дои:10.1002 / cphc.201200531, PMID  23047526
  10. ^ Матвия, Петр; Розборжил, Филип; Соботик, Павел; Ошлядал, Иван; Печирак, Варвара; Юрчишин, Лешек; Кочан, Павел (2017). «Фазовый переход, управляемый электрическим полем в двумерном молекулярном слое». Научные отчеты. 7 (1): 7357. Bibcode:2017НатСР ... 7.7357M. Дои:10.1038 / s41598-017-07277-7. ЧВК  5544747. PMID  28779091.

внешняя ссылка