2차원 가스

Two-dimensional gas

2차원 기체는 기체 상태의 평면 또는 다른 2차원 공간에서 이동하도록 제약된 물체의 집합이다.물체는 탄성 충돌을 겪고 있는 강체 디스크와 같은 고전적인 이상적 기체 요소, 기본 입자 또는 결합 상호작용 없이 운동 법칙을 준수하는 물리학에서 개별 물체의 앙상블이 될 수 있다.2차원 기체의 개념은 다음과 같은 이유로 사용된다.

  1. 연구 중인 문제는 실제로 2차원에서 발생한다(특정 표면 분자 현상으로).
  2. 문제의 2차원 형태는 수학적으로 더 복잡한 3차원 문제보다 더 다루기 쉽다.

물리학자들이 수세기 동안 비행기에서 단순한 두 가지 신체 상호작용을 연구해 왔지만, 2차원 가스(많은 몸을 움직이게 하는 것)에 주어지는 관심은 20세기의 추적이다.응용은 초전도성,[1] 기체 열역학, 특정 고체 상태 문제, 양자역학에서의 여러 문제를 더 잘 이해하도록 이끌었다.

고전역학

2차원 탄성 충돌

1960년대[2] 초 프린스턴 대학의 연구는 맥스웰-볼츠만 통계와 다른 열역학 법칙이 기존의 통계 역학의 방법보다는 다체계에 적용되는 뉴턴의 법칙에서 도출될 수 있는지에 대한 의문을 제기하였다.이 질문은 3차원 폐쇄형 형태 솔루션에서는 난해하게 보이지만, 2차원 공간에서는 문제가 다르게 작용한다.특히 이상적인 기체의 몇 가지 임의적인 초기 조건을 고려하여 이완 시간에서 평형 속도 분포까지의 관점에서 이상적인 2차원 기체를 조사하였다.휴식 시간은 매우 빠른 것으로 나타났다: 평균적인 자유 시간의 순서로.

1996년에는 2차원 가스 내 열 흐름의 고전적 역학 비균형 문제에 대한 컴퓨터 접근법이 채택되었다.[3]이 시뮬레이션 작업은 N>1500의 경우 연속 시스템과의 양호한 합치를 얻음을 보여주었다.

전자 가스

참고 항목:2차원 전자 가스 및 페르미 가스
로렌스의 1934년 특허에서 나온 사이클로트론 운영 다이어그램.

전자의 2차원 배열을 만드는 사이클로트론의 원리는 1934년부터 존재해 왔지만, 이 도구는 원래 전자들 사이의 상호작용을 분석하는 데 실제로 사용되지 않았다(예: 2차원 기체 역학).초기 연구 조사는 2차원 전자 기체에서 사이클로트론 공명 거동과 데 하스-반 알펜 효과를 탐구했다.[4]조사자는 2차원 가스의 경우 데 하스-반 알펜 진동 주기가 단거리 전자 상호작용과는 무관하다는 것을 증명할 수 있었다.

나중에 보세 가스에 적용

1991년에 보세 가스는 2차원으로 존재할 수 있다는 이론적 증거가 만들어졌다.[5]같은 작품에서 가설을 검증할 수 있는 실험적인 권고가 이루어졌다.

분자가스를 이용한 실험적 연구

일반적으로 2D 분자 가스는 비결정성 온도와 낮은 표면 커버리지에서 금속, 그래핀 등 약하게 상호작용하는 표면에서 실험적으로 관찰된다.표면의 분자의 빠른 확산으로 인해 개별 분자를 직접 관측할 수 없기 때문에 실험은 간접적(예: 2D 기체의 응축) 또는 적분(예: 회절법에 의한 2D 기체의 적분 특성 측정)이다.

2D 가스의 간접 관측의 예는 초고진공(UHV)에서 스캐닝 튜닝 현미경을 사용하여 77 켈빈에서 평면 고체 인터페이스와 접촉하는 2차원 벤젠 가스층의 상호작용을 상상한 Stranick 등의 연구다.[6]실험자들은 고체 벤젠의 평면 단분자 필름이 부착된 Cu(111) 표면에서 이동식 벤젠 분자를 관찰할 수 있었다.따라서 과학자들은 가스가 고체 상태와 접촉하는 평형을 목격할 수 있었다.

2D 기체를 특성화할 수 있는 적분 방법은 대개 회절 범주에 포함된다(예: Kroger 등 연구 참조).[7]예외는 스캐닝 터널링 현미경을 사용하여 표면에 있는 분자의 국부적 시간 평균 밀도를 직접 시각화한 마트비자 외 연구진의 작업이다.[8]이 방법은 2D 기체의 국부적 특성을 조사할 수 있는 기회를 제공하므로 특히 중요하다. 예를 들어, 실제 공간에서 2D 분자 기체의 쌍상관계 함수를 직접 시각화할 수 있다.

흡착제의 표면 커버리지가 증가하면 2D 액체가 형성되고 [9]그 뒤에 2D 고체가 형성된다.2D 기체에서 2D 고체 상태로의 전환은 전기장을 통해 분자의 국소 밀도에 영향을 줄 수 있는 스캐닝 터널링 현미경으로 제어할 수 있는 것으로 나타났다.[10]

미래 연구에 대한 시사점

2차원 가스를 통한 연구를 위해 다양한 이론 물리학 연구 방향이 존재한다.이것의 예는 다음과 같다.

참고 항목

참조

  1. ^ Feld; et al. (2011). "Observation of a pairing pseudogap in a two-dimensional gas". Nature. 480 (7375): 75–78. arXiv:1110.2418. Bibcode:2011Natur.480...75F. doi:10.1038/nature10627. PMID 22129727. S2CID 4425050.
  2. ^ C.M. 호건, 2차원 기체의 비균형 통계 역학, 프린스턴 대학교, 물리학과, 1964년 5월 4일
  3. ^ D. 리소와 P.Cordero, 디스크의 2차원 가스: 열전도율, 통계물리학 저널, 제82권, 페이지 1453–1466, (1996)
  4. ^ Kohn, Walter (1961). "Cyclotron Resonance and de Haas–van Alphen Oscillations of an Interacting Electron Gas". Physical Review. 123 (4): 1242–1244. Bibcode:1961PhRv..123.1242K. doi:10.1103/physrev.123.1242.
  5. ^ 반데를리 바그나토와 다니엘 클레프너.1991년 4월 8일 미국 물리학회 저차원 덫에 걸린 보스-아인슈타인 응결
  6. ^ Stranick, S. J.; Kamna, M.; Weiss, P. S, Atomic Scale Dynamics of a 2차원 가스-고체 인터페이스, 펜실베니아 주립 대학교, Park Dept of Chemistry, 1994년 6월 3일
  7. ^ Kroger, I. (2009). "Tuning intermolecular interaction in long-range-ordered submonolayer organic films". Nature Physics. 5 (2): 153–158. Bibcode:2009NatPh...5..153S. doi:10.1038/nphys1176.
  8. ^ Matvija, Peter; Rozbořil, Filip; Sobotík, Pavel; Ošťádal, Ivan; Kocán, Pavel (2017). "Pair correlation function of a 2D molecular gas directly visualized by scanning tunneling microscopy". 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), "Stabilization of Large Adsorbates by Rotational Entropy: A Time-Resolved Variable-Temperature STM Study", ChemPhysChem (in German), vol. 14, no. 1, pp. 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). "Electric-field-controlled phase transition in a 2D molecular layer". Scientific Reports. 7 (1): 7357. Bibcode:2017NatSR...7.7357M. doi:10.1038/s41598-017-07277-7. PMC 5544747. PMID 28779091.

외부 링크