Двумерный газ — это совокупность объектов, ограниченных движением в плоском или другом двумерном пространстве в газообразном состоянии. Объектами могут быть: классические элементы идеального газа, такие как жесткие диски, подвергающиеся упругим столкновениям ; элементарные частицы или любой ансамбль отдельных объектов в физике , который подчиняется законам движения без связывающих взаимодействий. Понятие двумерного газа используется либо потому, что:
В то время как физики изучали простые взаимодействия двух тел на плоскости в течение столетий, внимание, уделяемое двумерному газу (имеющему множество движущихся тел), является занятием 20-го века. Приложения привели к лучшему пониманию сверхпроводимости , [1] термодинамики газа , некоторых проблем твердого тела и нескольких вопросов квантовой механики .
Исследования в Принстонском университете в начале 1960-х годов [2] поставили вопрос о том, можно ли вывести статистику Максвелла–Больцмана и другие термодинамические законы из законов Ньютона , примененных к многочастичным системам, а не с помощью обычных методов статистической механики . Хотя этот вопрос кажется неразрешимым из трехмерного замкнутого решения , проблема ведет себя по-другому в двумерном пространстве. В частности, идеальный двумерный газ был исследован с точки зрения времени релаксации к равновесному распределению скоростей при нескольких произвольных начальных условиях идеального газа. Было показано, что время релаксации очень мало: порядка среднего свободного времени .
В 1996 году был применен вычислительный подход к классической механике неравновесной задачи теплового потока в двумерном газе. [3] Эта работа по моделированию показала, что при N>1500 достигается хорошее согласие с непрерывными системами.
Хотя принцип циклотрона для создания двумерного массива электронов существовал с 1934 года, изначально этот инструмент на самом деле не использовался для анализа взаимодействий между электронами (например, двумерной газовой динамики ). Раннее исследование изучало поведение циклотронного резонанса и эффект де Гааза-ван Альфена в двумерном электронном газе. [4] Исследователь смог продемонстрировать, что для двумерного газа период колебаний де Гааза-ван Альфена не зависит от ближнего электронного взаимодействия.
В 1991 году было получено теоретическое доказательство того, что бозе-газ может существовать в двух измерениях. [5] В той же работе была дана экспериментальная рекомендация, которая могла бы подтвердить эту гипотезу.
В общем, 2D молекулярные газы экспериментально наблюдаются на слабо взаимодействующих поверхностях, таких как металлы, графен и т. д. при некриогенной температуре и низком покрытии поверхности. Поскольку прямое наблюдение отдельных молекул невозможно из-за быстрой диффузии молекул на поверхности, эксперименты бывают либо косвенными (наблюдение взаимодействия 2D газа с окружающей средой, например, конденсация 2D газа), либо интегральными (измерение интегральных свойств 2D газов, например, методами дифракции).
Примером косвенного наблюдения за двумерным газом является исследование Страника и др., которые использовали сканирующий туннельный микроскоп в сверхвысоком вакууме (СВВ) для получения изображения взаимодействия двумерного слоя бензольного газа в контакте с плоским твердым интерфейсом при 77 градусах Кельвина . [6] Экспериментаторы смогли 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 его твердым состоянием.
Интегральные методы, которые способны характеризовать 2D-газ, обычно попадают в категорию дифракции (см., например, исследование Kroger et al. [7] ). Исключением является работа Matvija et al., которые использовали сканирующий туннельный микроскоп для прямой визуализации локальной усредненной по времени плотности молекул на поверхности. [8] Этот метод имеет особое значение, поскольку он дает возможность исследовать локальные свойства 2D-газов; например, он позволяет напрямую визуализировать парную корреляционную функцию 2D-молекулярного газа в реальном пространстве.
Если покрытие поверхности адсорбатами увеличивается, образуется 2D-жидкость , [9] а затем 2D-твердое тело. Было показано, что переход из 2D-газа в 2D-твердое состояние можно контролировать с помощью сканирующего туннельного микроскопа , который может влиять на локальную плотность молекул через электрическое поле. [10]
Существует множество направлений исследований в области теоретической физики, изучающих двумерный газ, например: [ необходима ссылка ]