Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Двумерный газ представляет собой совокупность объектов , ограниченных для перемещения в плоском или другом двух- мерного пространства в газообразном состоянии. Объектами могут быть: классические элементы идеального газа, такие как жесткие диски, испытывающие упругие соударения ; элементарные частицы или любой ансамбль отдельных объектов в физике, который подчиняется законам движения без связывающих взаимодействий. Концепция двумерного газа используется либо потому, что:

  • (а) изучаемый вопрос действительно имеет место в двух измерениях (как определенные поверхностные молекулярные явления); или же,
  • (б) двумерная форма задачи является более сговорчивым , чем аналогичная математически более сложной трех- мерной задачи.

В то время как физики изучали простые взаимодействия двух тел на плоскости на протяжении веков, внимание, уделяемое двумерному газу (имеющему множество движущихся тел), является целью 20-го века. Приложения привели к лучшему пониманию сверхпроводимости , [1] термодинамики газа , некоторых проблем твердого тела и ряда вопросов квантовой механики .

Классическая механика [ править ]

Двумерное упругое столкновение

Исследования, проведенные в Принстонском университете в начале 1960-х годов [2], поставили вопрос о том, могут ли статистика Максвелла – Больцмана и другие законы термодинамики быть выведены из законов Ньютона, применяемых к системам многих тел, а не с помощью традиционных методов статистической механики . Хотя этот вопрос кажется неразрешимым из трехмерного решения в замкнутой форме , проблема в двумерном пространстве ведет себя иначе. В частности, идеальный двумерный газ был исследован с точки зрения распределения времени релаксации до равновесной скорости при нескольких произвольных начальных условиях идеального газа. Время релаксацииоказались очень быстрыми: порядка среднего свободного времени .

В 1996 году вычислительный подход был использован для решения неравновесной задачи классической механики о тепловом потоке в двумерном газе. [3] Это моделирование показало, что для N> 1500 получается хорошее согласие с непрерывными системами.

Электронный газ [ править ]

Смотрите также: Двумерный электронный газ и Ферми-газ
Схема работы циклотрона из патента Лоуренса 1934 года.

Хотя принцип циклотрона для создания двумерного массива электронов существует с 1934 года, инструмент изначально не использовался для анализа взаимодействий между электронами (например, двумерная газовая динамика ). В одном из первых исследований изучались циклотронный резонанс и эффект де Гааза – 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 [ править ]

В 1991 году было получено теоретическое доказательство того, что бозе-газ может существовать в двух измерениях. [5] В той же работе была сделана экспериментальная рекомендация, которая могла проверить гипотезу.

Экспериментальные исследования с молекулярным газом [ править ]

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. который использовал сканирующий туннельный микроскоп в сверхвысоком вакууме (UHV) для изображения взаимодействия двумерного газового слоя бензола в контакте с плоской твердой поверхностью при температуре 77 кельвинов . [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 контакте с твердым телом.

Интегральные методы, которые могут характеризовать двумерный газ, обычно попадают в категорию дифракции (см., Например, исследование Крогера и др. [7] ). Исключение составляет 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 непосредственно визуализировать парную корреляционную функцию двумерного молекулярного газа в реальном пространстве.

Если покрытие поверхности адсорбатов увеличивается, А 2D жидкость образуется, [9] с последующим 2D - твердым веществом. Было показано, что переход от 2D-газа к 2D-твердому состоянию можно контролировать с помощью сканирующего туннельного микроскопа, который может влиять на локальную плотность молекул через электрическое поле. [10]

Значение для будущих исследований [ править ]

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

  • Сложные явления квантовой механики , решения которых могут быть более подходящими в двумерной среде;
  • Исследования фазовых переходов (например, явления плавления на плоской поверхности );
  • Явления тонкой пленки, такие как химическое осаждение из паровой фазы ;
  • Поверхностные возбуждения твердого тела.

См. Также [ править ]

  • Бозе-газ
  • Ферми газ
  • Температура плавления
  • Оптическая решетка
  • Проблема трех тел

Ссылки [ править ]

  1. ^ Feld; и другие. (2011). «Наблюдение псевдощели спаривания в двумерном газе». Природа . 480 (7375): 75–78. arXiv : 1110,2418 . Bibcode : 2011Natur.480 ... 75F . DOI : 10,1038 / природа10627 . PMID  22129727 . S2CID  4425050 .
  2. ^ CMHogan, 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 : 1961PhRv..123.1242K . DOI : 10.1103 / Physrev.123.1242 .
  5. ^ Vanderlei Bagnato и Дэниел Клеппнер. Бозе-Эйнштейн конденсация в низкоразмерных ловушках , Американское физическое общество , 8 апреля 1991
  6. ^ Стрэник, SJ; Камна, ММ; Вайс, П.С., Динамика в атомном масштабе двумерной границы раздела газ-твердое тело , Государственный университет Пенсильвании, химический факультет Парка, 3 июня 1994 г.
  7. Перейти ↑ Kroger, I. (2009). «Настройка межмолекулярного взаимодействия в субмонослойных дальноупорядоченных органических пленках». Физика природы . 5 (2): 153–158. Bibcode : 2009NatPh ... 5..153S . DOI : 10.1038 / nphys1176 .
  8. ^ Матвия, Питер; Розборжил, Филип; Соботик, Павел; Ошлядал, Иван; Кочан, Павел (2017). «Парная корреляционная функция двумерного молекулярного газа, непосредственно визуализированная с помощью сканирующей туннельной микроскопии». Журнал писем по физической химии . 8 (17): 4268–4272. DOI : 10.1021 / acs.jpclett.7b01965 . PMID 28830146 . 
  9. ^ Томас Вальдманн; Йенс Кляйн; Гарри Э. Хостер; Р. Jürgen Сет (2012), "Стабилизация больших Адсорбатов вращательной энтропии: Время-Решенной переменной температура СТМ исследование", ChemPhysChem (на немецком языке ), 14 (1), стр 162-169,. Дои : 10.1002 / КФГЦ .201200531 , PMID 23047526 
  10. ^ Матвия, Питер; 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 : 2017NatSR ... 7.7357M . DOI : 10.1038 / s41598-017-07277-7 . PMC 5544747 . PMID 28779091 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Задачи Римана для двумерного газа
  • Двумерный газ дисков