Un gas bidimensional es una colección de objetos constreñidos a moverse en un plano u otro espacio bidimensional en estado gaseoso . Los objetos pueden ser: elementos clásicos de gas ideal como discos rígidos que sufren colisiones elásticas ; partículas elementales , o cualquier conjunto de objetos individuales en física que obedece a las leyes del movimiento sin interacciones vinculantes. El concepto de gas bidimensional se utiliza porque:
- (a) el tema que se está estudiando tiene lugar realmente en dos dimensiones (como ciertos fenómenos moleculares de superficie ); o,
- (b) la forma bidimensional del problema es más manejable que el problema tridimensional análogo, matemáticamente más complejo .
Si bien los físicos han estudiado las interacciones simples de dos cuerpos en un avión durante siglos, la atención que se le presta al gas bidimensional (que tiene muchos cuerpos en movimiento) es una búsqueda del siglo XX. Las aplicaciones han conducido a una mejor comprensión de la superconductividad , [1] la termodinámica de los gases , ciertos problemas del estado sólido y varias cuestiones de la mecánica cuántica .
Mecanica clasica
Una investigación en la Universidad de Princeton a principios de la década de 1960 [2] planteó la cuestión de si las estadísticas de Maxwell-Boltzmann y otras leyes termodinámicas podrían derivarse de las leyes newtonianas aplicadas a sistemas de múltiples cuerpos en lugar de mediante los métodos convencionales de mecánica estadística . Si bien esta pregunta parece intratable desde una solución de forma cerrada tridimensional , el problema se comporta de manera diferente en el espacio bidimensional. En particular, se examinó un gas bidimensional ideal desde el punto de vista del tiempo de relajación hasta la distribución de la velocidad de equilibrio , dadas varias condiciones iniciales arbitrarias del gas ideal. Se demostró que los tiempos de relajación son muy rápidos: del orden del tiempo libre medio .
En 1996 se adoptó un enfoque computacional para el problema de no equilibrio de la mecánica clásica del flujo de calor dentro de un gas bidimensional. [3] Este trabajo de simulación mostró que para N> 1500, se obtiene una buena concordancia con los sistemas continuos.
Gas de electrones
Si bien el principio del ciclotrón para crear una matriz bidimensional de electrones existe desde 1934, la herramienta no se utilizó originalmente para analizar interacciones entre los electrones (por ejemplo , dinámica de gases bidimensional ). Una investigación preliminar exploró el comportamiento de la resonancia de ciclotrón y el efecto de Haas-van Alphen en un gas de electrones bidimensionales. [4] El investigador pudo demostrar que para un gas bidimensional, el período de oscilación de Haas-van Alphen es independiente de las interacciones de electrones de corto alcance.
Aplicaciones posteriores al gas Bose
En 1991 se hizo una prueba teórica de que un gas Bose puede existir en dos dimensiones. [5] En el mismo trabajo se realizó una recomendación experimental que pudo verificar la hipótesis.
Investigación experimental con un gas molecular
En general, los gases moleculares 2D se observan experimentalmente en superficies que interactúan débilmente, como metales, grafeno , etc., a una temperatura no criogénica y una baja cobertura de superficie. Como una observación directa de moléculas individuales no es posible debido a la rápida difusión de moléculas en una superficie, los experimentos son indirectos (observando una interacción de un gas 2D con el entorno, por ejemplo, condensación de un gas 2D) o integrales (midiendo propiedades integrales de 2D gases, por ejemplo, por métodos de difracción).
Un ejemplo de observación indirecta de un gas 2D es el estudio de Stranick et al. que utilizó un microscopio de túnel de barrido en ultra alto vacío (UHV) para obtener imágenes de una interacción de una capa de gas benceno bidimensional en contacto con una interfaz sólida plana a 77 kelvins . [6] Los experimentadores pudieron observar moléculas de benceno móviles en la superficie de Cu (111), a las que se adhirió una película monomolecular plana de benceno sólido. Así, los científicos pudieron presenciar el equilibrio del gas en contacto con su estado sólido.
Los métodos integrales que son capaces de caracterizar un gas 2D generalmente entran en una categoría de difracción (ver, por ejemplo, el estudio de Kroger et al. [7] ). La excepción es el trabajo de Matvija et al. que utilizó un microscopio de efecto túnel para visualizar directamente una densidad de moléculas local promediada en el tiempo en una superficie. [8] Este método es de especial importancia ya que brinda la oportunidad de probar las propiedades locales de los gases 2D; por ejemplo, permite visualizar directamente una función de correlación de pares de un gas molecular 2D en un espacio real.
Si aumenta la cobertura de superficie de los adsorbatos, se forma un líquido 2D , [9] seguido de un sólido 2D. Se demostró que la transición de un gas 2D a un estado sólido 2D se puede controlar mediante un microscopio de efecto túnel que puede afectar la densidad local de moléculas a través de un campo eléctrico. [10]
Implicaciones para la investigación futura
Existe una multiplicidad de direcciones de investigación de física teórica para estudiar a través de un gas bidimensional. Ejemplos de estos son
- Fenómenos complejos de mecánica cuántica , cuyas soluciones pueden ser más apropiadas en un entorno bidimensional;
- Estudios de transiciones de fase (por ejemplo, fenómenos de fusión en una superficie plana );
- Fenómenos de película fina como la deposición de vapor químico ;
- Excitaciones superficiales de un sólido.
Ver también
- Bose gas
- Fermi gas
- Punto de fusion
- Celosía óptica
- Problema de tres cuerpos
Referencias
- ^ Feld; et al. (2011). "Observación de un pseudogap de apareamiento en un gas bidimensional". Naturaleza . 480 (7375): 75–78. arXiv : 1110.2418 . Código bibliográfico : 2011Natur.480 ... 75F . doi : 10.1038 / nature10627 . PMID 22129727 . S2CID 4425050 .
- ^ CMHogan, Mecánica estadística de no equilibrio de un gas bidimensional , Disertación, Universidad de Princeton, Departamento de Física, 4 de mayo de 1964
- ^ D. Risso y P. Cordero, Two-Dimensional Gas of Disks: Thermal Conductivity , Journal of Statistical Physics , volumen 82, páginas 1453-1466, (1996)
- ^ Kohn, Walter (1961). "Resonancia ciclotrónica y oscilaciones de Haas-van Alphen de un gas electrónico en interacción" . Revisión física . 123 (4): 1242-1244. Código Bibliográfico : 1961PhRv..123.1242K . doi : 10.1103 / physrev.123.1242 .
- ^ Vanderlei Bagnato y Daniel Kleppner. Condensación de Bose-Einstein en trampas de baja dimensión , American Physical Society , 8 de abril de 1991
- ^ Stranick, SJ; Kamna, MM; Weiss, P. S, Dinámica a escala atómica de una interfaz bidimensional gas-sólido , Universidad Estatal de Pensilvania, Departamento de Química de Park, 3 de junio de 1994
- ^ Kroger, I. (2009). "Ajuste de la interacción intermolecular en películas orgánicas submonolayer ordenadas de largo alcance". Física de la naturaleza . 5 (2): 153-158. Código Bibliográfico : 2009NatPh ... 5..153S . doi : 10.1038 / nphys1176 .
- ^ Matvija, Peter; Rozbořil, Filip; Sobotík, Pavel; Ošťádal, Ivan; Kocán, Pavel (2017). "Función de correlación de pares de un gas molecular 2D visualizado directamente mediante microscopía de túnel de barrido". La Revista de Cartas de Química Física . 8 (17): 4268–4272. doi : 10.1021 / acs.jpclett.7b01965 . PMID 28830146 .
- ^ Thomas Waldmann; Jens Klein; Harry E. Hoster; R. Jürgen Behm (2012), "Estabilización de adsorbatos grandes por entropía rotacional: un estudio STM de temperatura variable con resolución temporal", ChemPhysChem (en alemán), 14 (1), págs. 162-169, doi : 10.1002 / cphc .201200531 , PMID 23047526
- ^ Matvija, Peter; Rozbořil, Filip; Sobotík, Pavel; Ošťádal, Ivan; Pieczyrak, Barbara; Jurczyszyn, Leszek; Kocán, Pavel (2017). "Transición de fase controlada por campo eléctrico en una capa molecular 2D" . Informes científicos . 7 (1): 7357. Bibcode : 2017NatSR ... 7.7357M . doi : 10.1038 / s41598-017-07277-7 . PMC 5544747 . PMID 28779091 .
enlaces externos
- Problemas de Riemann para un gas bidimensional
- Gas bidimensional de discos