Gaz dwuwymiarowy

Dwuwymiarowy gaz jest zbiorem obiektów zmuszonych do poruszania się w płaskiej lub innej dwuwymiarowej przestrzeni w stanie gazowym . Obiektami mogą być: klasyczne gazu doskonałego , takie jak sztywne dyski ulegające zderzeniom sprężystym ; cząstki elementarne lub dowolny zespół pojedynczych obiektów w fizyce , który przestrzega praw ruchu bez wiążących interakcji. Pojęcie gazu dwuwymiarowego jest używane, ponieważ:

badane zagadnienie odbywa się właściwie w dwóch wymiarach (jako pewne powierzchniowe zjawiska molekularne ); Lub,
dwuwymiarowa postać problemu jest łatwiejsza do rozwiązania niż analogiczny, matematycznie bardziej złożony, trójwymiarowy problem .

Podczas gdy fizycy od wieków badali proste interakcje dwóch ciał na płaszczyźnie, uwaga poświęcana dwuwymiarowemu gazowi (mający wiele ciał w ruchu) jest pogonią XX wieku. Zastosowania doprowadziły do lepszego zrozumienia nadprzewodnictwa , termodynamiki gazów , pewnych problemów ciała stałego i kilku zagadnień z zakresu mechaniki kwantowej .

Mechanika klasyczna

Dwuwymiarowe zderzenie sprężyste

Badania na Uniwersytecie Princeton we wczesnych latach sześćdziesiątych XX wieku postawiły pytanie, czy statystyki Maxwella-Boltzmanna i inne prawa termodynamiczne można wyprowadzić z praw Newtona zastosowanych do układów wielociałowych, a nie z konwencjonalnych metod mechaniki statystycznej . Chociaż to pytanie wydaje się trudne do rozwiązania z trójwymiarowego rozwiązania w postaci zamkniętej , problem zachowuje się inaczej w przestrzeni dwuwymiarowej. W szczególności zbadano dwuwymiarowy gaz doskonały z punktu widzenia czasu relaksacji do prędkości równowagi rozkład przy danych kilku dowolnych warunkach początkowych gazu doskonałego. Wykazano, że czasy relaksacji są bardzo szybkie: rzędu średniego czasu wolnego .

W 1996 r. podjęto podejście obliczeniowe do problemu nierównowagi przepływu ciepła w gazie dwuwymiarowym w mechanice klasycznej. Ta praca symulacyjna wykazała, że dla N>1500 uzyskuje się dobrą zgodność z układami ciągłymi.

Gaz elektronowy

Schemat działania cyklotronu z patentu Lawrence'a z 1934 roku.

Podczas gdy zasada działania cyklotronu do tworzenia dwuwymiarowego układu elektronów istnieje od 1934 r., narzędzie to pierwotnie nie było używane do analizy interakcji między elektronami (np. dwuwymiarowa dynamika gazów ). We wczesnych badaniach zbadano rezonansu cyklotronu i efekt de Haasa-van Alphena w dwuwymiarowym gazie elektronowym. Badaczowi udało się wykazać, że w przypadku gazu dwuwymiarowego okres oscylacji de Haasa-van Alphena jest niezależny od oddziaływań elektronów krótkiego zasięgu.

Późniejsze zastosowania do gazu Bose

W 1991 roku dokonano teoretycznego dowodu, że gaz Bosego może istnieć w dwóch wymiarach. W tej samej pracy sformułowano zalecenie eksperymentalne, które mogło zweryfikować hipotezę.

Eksperymentalne badania z gazem molekularnym

Ogólnie gazy cząsteczkowe 2D obserwuje się eksperymentalnie na słabo oddziałujących powierzchniach, takich jak metale, grafen itp., w temperaturze innej niż kriogeniczna i przy niskim pokryciu powierzchni. Ponieważ bezpośrednia obserwacja poszczególnych cząsteczek nie jest możliwa ze względu na szybką dyfuzję cząsteczek na powierzchni, eksperymenty są albo pośrednie (obserwacja interakcji gazu 2D z otoczeniem, np. gazy, np. metodami dyfrakcyjnymi).

Przykładem pośredniej obserwacji gazu 2D jest badanie Stranicka i in. który użył skaningowego mikroskopu tunelowego w ultrawysokiej próżni (UHV) do zobrazowania interakcji dwuwymiarowej warstwy gazowego benzenu w kontakcie z planarną stałą fazą przy 77 kelwinach . Eksperymentatorzy byli w stanie zaobserwować ruchome cząsteczki benzenu na powierzchni Cu(111), do której przylegała płaska jednocząsteczkowa warstwa stałego benzenu. W ten sposób naukowcy mogli obserwować równowagę gazu w kontakcie z jego ciałem stałym.

Metody całkowe, które są w stanie scharakteryzować gaz 2D, zwykle należą do kategorii dyfrakcji (patrz na przykład badanie Krogera i in.). Wyjątkiem jest praca Matvija i in. który użył skaningowego mikroskopu tunelowego do bezpośredniej wizualizacji lokalnej uśrednionej w czasie gęstości cząsteczek na powierzchni. Ta metoda ma szczególne znaczenie, ponieważ daje możliwość zbadania lokalnych właściwości gazów 2D; na przykład umożliwia bezpośrednią wizualizację funkcji korelacji par gazu cząsteczkowego 2D w rzeczywistej przestrzeni.

Jeśli zwiększy się pokrycie powierzchni adsorbatów, powstaje ciecz 2D , a następnie ciało stałe 2D. Wykazano, że przejście od stanu gazowego 2D do stanu stałego 2D można kontrolować za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego , który może wpływać na lokalną gęstość cząsteczek za pośrednictwem pola elektrycznego.

Implikacje dla przyszłych badań

Istnieje wiele teoretycznych kierunków badań fizyki do badania za pomocą dwuwymiarowego gazu. Przykładami są

Złożone zjawiska mechaniki kwantowej , których rozwiązania mogą być bardziej odpowiednie w środowisku dwuwymiarowym;
Badania przemian fazowych (np. zjawiska topnienia na płaskiej powierzchni );
cienkowarstwowe , takie jak chemiczne osadzanie z fazy gazowej ;
Wzbudzenia powierzchniowe ciała stałego.

Zobacz też

Bibliografia _ i in. (2011). „Obserwacja parowania pseudoprzerwy w dwuwymiarowym gazie”. Natura . 480 (7375): 75–78. ar Xiv : 1110.2418 . Bibcode : 2011Natur.480...75F . doi : 10.1038/natura10627 . PMID 22129727 . S2CID 4425050 .
^ CCMhogan, Non-equilibrium statystyczna mechanika gazu dwuwymiarowego , rozprawa, Princeton University, Department of Physics, 4 maja 1964
^ D. Risso i P. Cordero, Two-Dimensional Gas of Disks: Thermal Conductivity , Journal of Statistical Physics , tom 82, strony 1453–1466, (1996)
^ Kohn, Walter (1961). „Rezonans cyklotronowy i oscylacje de Haasa – van Alphena oddziałującego gazu elektronowego” . Przegląd fizyczny . 123 (4): 1242–1244. Bibcode : 1961PhRv..123.1242K . doi : 10.1103/physrev.123.1242 .
^ Vanderlei Bagnato i Daniel Kleppner. Kondensacja Bosego-Einsteina w niskowymiarowych pułapkach , American Physical Society , 8 kwietnia 1991
Bibliografia _ Kamna, MM ; Weiss, PS, Atomic Scale Dynamics of a Two-Dimensional Gas-Solid Interface , Pennsylvania State University, Park Dept. of Chemistry, 3 czerwca 1994
^ Kroger, I. (2009). „Dostrajanie interakcji międzycząsteczkowych w submonowarstwowych filmach organicznych uporządkowanych z dalekiego zasięgu”. Fizyka przyrody . 5 (2): 153–158. Bibcode : 2009NatPh...5..153S . doi : 10.1038/nphys1176 .
^ Matwija, Piotr; Rozbořil, Filip; Sobotik, Paweł; Ošťádal, Ivan; Kocán, Pavel (2017). „Funkcja korelacji par gazu cząsteczkowego 2D bezpośrednio wizualizowana za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej”. The Journal of Physical Chemistry Letters . 8 (17): 4268–4272. doi : 10.1021/acs.jpclett.7b01965 . PMID 28830146 .
Bibliografia _ Jensa Kleina; Harry'ego E. Hostera; R. Jürgen Behm (2012), „Stabilizacja dużych adsorbatów przez entropię rotacyjną: badanie STM o zmiennej temperaturze z rozdzielczością czasową”, ChemPhysChem (w języku niemieckim), tom. 14, nie. 1, s. 162–169, doi : 10.1002/cphc.201200531 , PMID 23047526 , S2CID 36848079
^ Matwija, Piotr; Rozbořil, Filip; Sobotik, Paweł; Ošťádal, Ivan; Pieczyrak, Barbara; Jurczyszyn, Leszek; Kocán, Pavel (2017). „Przejście fazowe kontrolowane polem elektrycznym w warstwie molekularnej 2D” . Raporty naukowe . 7 (1): 7357. Bibcode : 2017NatSR...7.7357M . doi : 10.1038/s41598-017-07277-7 . PMC 5544747 . PMID 28779091 .

Linki zewnętrzne

[1] Bibliografia _ i in. (2011). „Obserwacja parowania pseudoprzerwy w dwuwymiarowym gazie”. Natura . 480 (7375): 75–78. ar Xiv : 1110.2418 . Bibcode : 2011Natur.480...75F . doi : 10.1038/natura10627 . PMID 22129727 . S2CID 4425050 .

[2] CCMhogan, Non-equilibrium statystyczna mechanika gazu dwuwymiarowego , rozprawa, Princeton University, Department of Physics, 4 maja 1964

[3] D. Risso i P. Cordero, Two-Dimensional Gas of Disks: Thermal Conductivity , Journal of Statistical Physics , tom 82, strony 1453–1466, (1996)

[4] Kohn, Walter (1961). „Rezonans cyklotronowy i oscylacje de Haasa – van Alphena oddziałującego gazu elektronowego” . Przegląd fizyczny . 123 (4): 1242–1244. Bibcode : 1961PhRv..123.1242K . doi : 10.1103/physrev.123.1242 .

[5] Vanderlei Bagnato i Daniel Kleppner. Kondensacja Bosego-Einsteina w niskowymiarowych pułapkach , American Physical Society , 8 kwietnia 1991

[6] Bibliografia _ Kamna, MM ; Weiss, PS, Atomic Scale Dynamics of a Two-Dimensional Gas-Solid Interface , Pennsylvania State University, Park Dept. of Chemistry, 3 czerwca 1994

[7] Kroger, I. (2009). „Dostrajanie interakcji międzycząsteczkowych w submonowarstwowych filmach organicznych uporządkowanych z dalekiego zasięgu”. Fizyka przyrody . 5 (2): 153–158. Bibcode : 2009NatPh...5..153S . doi : 10.1038/nphys1176 .

[8] Matwija, Piotr; Rozbořil, Filip; Sobotik, Paweł; Ošťádal, Ivan; Kocán, Pavel (2017). „Funkcja korelacji par gazu cząsteczkowego 2D bezpośrednio wizualizowana za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej”. The Journal of Physical Chemistry Letters . 8 (17): 4268–4272. doi : 10.1021/acs.jpclett.7b01965 . PMID 28830146 .

[ReferenceA-9] Bibliografia _ Jensa Kleina; Harry'ego E. Hostera; R. Jürgen Behm (2012), „Stabilizacja dużych adsorbatów przez entropię rotacyjną: badanie STM o zmiennej temperaturze z rozdzielczością czasową”, ChemPhysChem (w języku niemieckim), tom. 14, nie. 1, s. 162–169, doi : 10.1002/cphc.201200531 , PMID 23047526 , S2CID 36848079

[10] Matwija, Piotr; Rozbořil, Filip; Sobotik, Paweł; Ošťádal, Ivan; Pieczyrak, Barbara; Jurczyszyn, Leszek; Kocán, Pavel (2017). „Przejście fazowe kontrolowane polem elektrycznym w warstwie molekularnej 2D” . Raporty naukowe . 7 (1): 7357. Bibcode : 2017NatSR...7.7357M . doi : 10.1038/s41598-017-07277-7 . PMC 5544747 . PMID 28779091 .