Dvourozměrný plyn - Two-dimensional gas

A dvourozměrný plyn je sbírka objektů omezených pohybem v rovinném nebo jinémdimenzionální prostor v plynný Stát. Objekty mohou být: klasické ideální plyn prvky jako tuhé disky podstupujících elastické srážky; elementární částice nebo jakýkoli soubor jednotlivých objektů v fyzika který poslouchá zákony pohybu bez závazných interakcí. Koncept dvourozměrného plynu se používá buď proto, že:

  • a) studovaná problematika ve skutečnosti probíhá ve dvou dimenzích (jako určitý povrch molekulární jevy); nebo,
  • b) dvourozměrná forma problému je přitažlivější než analogická matematicky složitější třidimenzionální problém.

Zatímco fyzici studovali jednoduché dvě tělesné interakce v letadle je pozornost věnovaná dvourozměrnému plynu (majícímu mnoho těles v pohybu) snahu 20. století. Aplikace vedly k lepšímu porozumění supravodivost,[1] plyn termodynamika jisté pevné skupenství problémy a několik otázek v kvantová mechanika.

Klasická mechanika

Dvojrozměrná elastická kolize

Výzkum na Univerzita Princeton na počátku šedesátých let[2] položil otázku, zda Statistiky Maxwell – Boltzmann a další termodynamické zákony lze odvodit Newtonian zákony aplikované na systémy více těl spíše než konvenčními metodami statistická mechanika. I když se tato otázka z trojrozměrného pohledu jeví jako neřešitelná uzavřená forma řešení se problém chová odlišně v dvourozměrném prostoru. Zejména byl zkoumán ideální dvourozměrný plyn z hlediska doby relaxace do rovnováha rychlost distribuce vzhledem k několika libovolným počátečním podmínkám ideálního plynu. Relaxační časy Ukázalo se, že jsou velmi rychlé: na objednávku znamená volný čas .

V roce 1996 byl použit výpočetní přístup k problému nerovnováhy klasické mechaniky tepelný tok uvnitř dvourozměrného plynu.[3] Tato simulační práce ukázala, že pro N> 1500 je dosažena dobrá shoda s kontinuálními systémy.

Elektronový plyn

Viz také: Dvourozměrný elektronový plyn a Fermiho plyn
Schéma cyklotron provoz od Vavřince Patent z roku 1934.

Zatímco princip cyklotron vytvořit dvourozměrné pole elektrony existuje již od roku 1934, nástroj původně nebyl skutečně používán k analýze interakcí mezi elektrony (např. dvourozměrný dynamika plynů ). Bylo prozkoumáno rané výzkumné šetření cyklotronová rezonance chování a de Haas – van Alphen efekt ve dvojrozměrném elektronovém plynu.[4] Vyšetřovatel dokázal prokázat, že u dvojrozměrného plynu je doba oscilace de Haas – van Alphen nezávislá na elektronových interakcích krátkého dosahu.

Pozdější aplikace na plyn Bose

V roce 1991 byl učiněn teoretický důkaz, že a Bose plyn může existovat ve dvou dimenzích.[5] Ve stejné práci bylo provedeno experimentální doporučení, které by dokázalo ověřit hypotézu.

Experimentální výzkum s molekulárním plynem

Obecně jsou 2D molekulární plyny experimentálně pozorovány na slabě interagujících površích, jako jsou kovy, grafen atd. při nekryogenní teplotě a nízkém pokrytí povrchu. Protože přímé pozorování jednotlivých molekul není možné kvůli rychlé difúzi molekul na povrch, jsou experimenty buď nepřímé (pozorování interakce 2D plynu s okolím, např. Kondenzace 2D plynu), nebo integrální (měření integrálních vlastností 2D plyny, např. difrakčními metodami).

Příkladem nepřímého pozorování 2D plynu je studie Stranick et al. kdo použil skenovací tunelovací mikroskop v ultravysoké vakuum (UHV) k zobrazení interakce dvojrozměrného benzen plynová vrstva v kontaktu s planárním pevným rozhraním na 77 kelvinů.[6] Experimentátoři byli schopni pozorovat mobilní molekuly benzenu na povrchu Cu (111), ke kterému přilnul rovinný monomolekulární film pevného benzenu. Vědci tak mohli být svědky rovnováhy plynu v kontaktu s jeho pevným stavem.

Integrální metody, které jsou schopné charakterizovat 2D plyn, obvykle spadají do kategorie difrakce (viz například studie Krogera et al.[7]). Výjimkou je práce Matvija et al. kdo použil skenovací tunelovací mikroskop přímo vizualizovat místní časově průměrovanou hustotu molekul na povrchu.[8] Tato metoda má zvláštní význam, protože poskytuje příležitost zkoumat místní vlastnosti 2D plynů; například umožňuje přímo vizualizovat a párová korelační funkce 2D molekulárního plynu ve skutečném prostoru.

Pokud se zvýší povrchové pokrytí adsorbátů, a 2D kapalina je vytvořen,[9] následovaný 2D tělesem. Ukázalo se, že přechod z 2D plynu do 2D pevného stavu lze řídit pomocí a skenovací tunelovací mikroskop což může ovlivnit lokální hustotu molekul prostřednictvím elektrického pole.[10]

Důsledky pro budoucí výzkum

Existuje mnoho teoretických směrů výzkumu fyziky pro studium pomocí dvourozměrného plynu. Příkladem jsou

Viz také

Reference

  1. ^ Feld; et al. (2011). "Pozorování párovací pseudogapy v dvojrozměrném plynu". Příroda. 480 (7375): 75–78. arXiv:1110.2418. Bibcode:2011 Natur.480 ... 75F. doi:10.1038 / příroda10277. PMID  22129727. S2CID  4425050.
  2. ^ CM Hogan, Nerovnovážná statistická mechanika dvojrozměrného plynu„Dizertační práce, Princetonská univerzita, katedra fyziky, 4. května 1964
  3. ^ D. Risso a P. Cordero, Dvourozměrný plyn disků: Tepelná vodivost, Žurnál statistické fyziky, svazek 82, strany 1453–1466, (1996)
  4. ^ Kohn, Walter (1961). „Cyklotronová rezonance a de Haas-van Alphenovy oscilace interagujícího elektronového plynu“. Fyzický přehled. 123 (4): 1242–1244. Bibcode:1961PhRv..123,1242K. doi:10.1103 / fyzrev.123.1242.
  5. ^ Vanderlei Bagnato a Daniel Kleppner. Bose – Einstein kondenzace v nízkodimenzionálních pasti, Americká fyzická společnost, 8. dubna 1991
  6. ^ Stranick, S. J.; Kamna, M. M.; Weiss, P. S, Dynamika atomové stupnice dvourozměrného rozhraní plyn-pevná látka, Pennsylvania State University, Park Dept. of Chemistry, 3. června 1994
  7. ^ Kroger, I. (2009). "Ladění intermolekulární interakce v organických filmech s dlouhým doletem uspořádaných pod vrstvami". Fyzika přírody. 5 (2): 153–158. Bibcode:2009NatPh ... 5..153S. doi:10.1038 / nphys1176.
  8. ^ Matvija, Peter; Rozbořil, Filip; Sobotík, Pavel; Ošťádal, Ivan; Kocán, Pavel (2017). "Funkce párové korelace 2D molekulárního plynu přímo vizualizovaná skenovací tunelovou mikroskopií". The Journal of Physical Chemistry Letters. 8 (17): 4268–4272. doi:10.1021 / acs.jpclett.7b01965. PMID  28830146.
  9. ^ Thomas Waldmann; Jens Klein; Harry E. Hoster; R. Jürgen Behm (2012), „Stabilizace velkých adsorbátů rotační entropií: časově rozlišená studie STM s proměnnou teplotou“, ChemPhysChem (v němčině), 14 (1), s. 162–169, doi:10.1002 / cphc.201200531, PMID  23047526
  10. ^ Matvija, Peter; Rozbořil, Filip; Sobotík, Pavel; Ošťádal, Ivan; Pieczyrak, Barbara; Jurczyszyn, Leszek; Kocán, Pavel (2017). „Fázový přechod řízený elektrickým polem ve 2D molekulární vrstvě“. Vědecké zprávy. 7 (1): 7357. Bibcode:2017NatSR ... 7,7357M. doi:10.1038 / s41598-017-07277-7. PMC  5544747. PMID  28779091.

externí odkazy