Un gas bidimensional es un conjunto de objetos que se mueven en un plano u otro espacio bidimensional en estado gaseoso . Los objetos pueden ser: elementos clásicos de gas ideal , como discos rígidos que experimentan colisiones elásticas ; partículas elementales o cualquier conjunto de objetos individuales de la física que obedecen las leyes del movimiento sin interacciones vinculantes. El concepto de gas bidimensional se utiliza porque:
Si bien los físicos han estudiado interacciones simples entre dos cuerpos en un plano durante siglos, la atención prestada al gas bidimensional (que tiene muchos cuerpos en movimiento) es una actividad del siglo XX. Las aplicaciones han llevado a una mejor comprensión de la superconductividad , [1] la termodinámica de los gases , ciertos problemas del estado sólido y varias preguntas en mecánica cuántica .
Una investigación realizada en la Universidad de Princeton a principios de los años 1960 [2] planteó la cuestión de si las estadísticas de Maxwell-Boltzmann y otras leyes termodinámicas podían derivarse de las leyes newtonianas aplicadas a sistemas multicuerpo en lugar de a través de los métodos convencionales de la mecánica estadística . Si bien esta cuestión parece insoluble a partir de una solución de forma cerrada tridimensional , el problema se comporta de manera diferente en el espacio bidimensional. En particular, se examinó un gas ideal bidimensional 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 eran 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 un buen acuerdo con los sistemas continuos.
Si bien el principio del ciclotrón para crear una matriz bidimensional de electrones existe desde 1934, la herramienta originalmente no se utilizó realmente para analizar las interacciones entre los electrones (por ejemplo, la dinámica de gases bidimensionales ). Una investigación temprana exploró el comportamiento de la resonancia del ciclotrón y el efecto de Haas-van Alphen en un gas de electrones bidimensional. [4] El investigador pudo demostrar que para un gas bidimensional, el período de oscilación de Haas-van Alphen es independiente de las interacciones electrónicas de corto alcance.
En 1991 se realizó una prueba teórica de que un gas de Bose puede existir en dos dimensiones. [5] En el mismo trabajo se hizo una recomendación experimental que podría verificar la hipótesis.
En general, los gases moleculares 2D se observan experimentalmente en superficies que interactúan débilmente, como metales, grafeno , etc., a una temperatura no criogénica y con una cobertura superficial baja. Como no es posible la observación directa de moléculas individuales debido a la rápida difusión de las moléculas en una superficie, los experimentos son indirectos (observación de una interacción de un gas 2D con el entorno, p. ej., condensación de un gas 2D) o integrales (medición de propiedades integrales de gases 2D, p. ej., mediante métodos de difracción).
Un ejemplo de la observación indirecta de un gas 2D es el estudio de Stranick et al., quienes utilizaron un microscopio de efecto túnel de barrido en ultra alto vacío (UHV) para obtener imágenes de la 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 la que se adhirió una película monomolecular plana de benceno sólido. De este modo, 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 suelen caer en la categoría de difracción (véase, por ejemplo, el estudio de Kroger et al. [7] ). La excepción es el trabajo de Matvija et al., que utilizaron un microscopio de efecto túnel para visualizar directamente una densidad local promediada en el tiempo de moléculas en una superficie. [8] Este método es de especial importancia ya que proporciona una oportunidad para investigar 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 se aumenta la cobertura superficial de los adsorbentes, se forma un líquido 2D [9] , seguido de un sólido 2D. Se ha demostrado 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 las moléculas a través de un campo eléctrico. [10]
Existe una multiplicidad de direcciones de investigación en física teórica para el estudio a través de un gas bidimensional, tales como: [ cita requerida ]