Structural properties of classical quasi-one-dimensional crystals and three-dimensional clusters

Datum: 11 juni 2014

Locatie: UAntwerpen - Campus Groenenborger - Lokaal U0.24 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 16.30 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Fysica

Promovendus: Jesus Eduardo Galvan Moya

Promotor: Prof. dr. Fran├žois Peeters

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Jesus Eduardo Galvan Moya - Faculteit Wetenschappen, Departement Fysica



Abstract

Het doel van deze thesis is een studie van de structurele eigenschappen van quasi-ééndimensionale (Q1D) systemen van deeltjes, waarbij we het effect van de opsluiting op de structurele transities analyseren voor verschillende functionele vormen van de inter-deeltjes interactie, gaande van totaal repulsief tot interacties met concurrerende interactieschalen. Bovendien, gemotiveerd door de experimentele waarneming van zelf-geassembleerde structuren van nanodeeltjes met hoge symmetrie, voerden we een systematische studie uit van driedimensionale (3D) systemen van deeltjes met eindige afmetingen, en maakten we het vormingsprocess van de geordende configuraties duidelijk en voorspelden we mogelijke nieuwe structuren voor deze clusters.

Wat Q1D systemen betreft, bestudeerden we de grondtoestandsconfiguraties (GS) en fasetransities van een systeem deeltjes die interageren door middel van een gescreende Yukawa-potentiaal en opgesloten in een quasi-ééndimensionaal kanaal, waar de gevonden structuren overeenkomen tot Wigner-kristal ordeningen. Het effect van opsluiting op de GS-transities werd geanalyseerd door middel van verscheidene vormen van opsluiting: machtsverband, exponentiële en Gaussische potentialen die het transversale profiel van het kanaal moduleren met een vormparameter. Analytische uitdrukkingen voor de energie van verscheidene n-keten configuraties werden gebruikt om het systeem te beschrijven en de GS werd gevonden door een minimalizatie van de ordeparameters van elke geanalyseerde structuur. Een Ginzburg-Landau theorie werd opgesteld om de transities tussen enkele en twee-keten configuraties, ook gekend als zigzag-transities, te bestuderen. We bepaalden de ordeparameter en hoe deze afhangt van de uitwendige opsluiting, de interactieafstand en de dichtheid van de deeltjes. Daar bovenop bestudeerden we de GS voor twee gekoppelde Q1D kanalen, bestaande uit een systeem van interagerende geladen deeltjes opgesloten in een parabolische val in elk kanaal. De structurele transities tussen de fasen werd bestudeerd in functie van de lineaire dichtheid en de afstand tussen de kanalen. We vonden een zeer rijk fasediagram in het geval van verticaal gekoppelde kanalen, met zowel eerste als tweede orde overgangen, in contrast met een zeer beperkt aantal fasen voor horizontaal gekoppelde kanalen, waar alle transities van eerste orde zijn.

Een systeem van magnetische deeltjes opgesloten door een parabolisch kanaal, gemoduleerd met een periodische substraatpotentiaal, werd bestudeerd, waar het magnetisch moment van alle deeltjes is opgelijnd door middel van een extern, gekanteld magnetisch veld. De GS bij temperatuur nul werd geanalyseerd als functie van de orientatie van het magnetisch veld, de sterkte van de periodische potentiaal en de commensurabiliteitsfactor. Een waaier van verschillende deeltjesconfiguraties werden gevonden als grondtoestand, geordend in een verschillend aantal ketens, en we vonden zelfs een opmerkelijke soliton-achtige configuratie waar de dichtheid van de solitonen gevarieerd kon worden met de tilt-hoek.

Wat 3D-systemen betreft, het zelf-organisatie-proces van sferische nanodeeltjes naar sferische samenstellingen werd experimenteel bestudeerd in samenwerking met de onderzoeksgroepen EMAT en CIC biomaGUNE, en theoretisch aan de hand van een paarsgewijze interactie. Samenstellingen van goud-nanodeeltjes, gevormd door hydrofobe krachten, werden gekozen als een case-study. We stelden een nieuw model voor, gebaseerd op een eenvoudige concurrentie tussen attractieve en repulsieve interacties die we konden relateren aan de experimentele syntheseparameters, wat aanleiding gaf tot een zeer goede overeenkomst tussen de experimenteel waargenomen en de theoretisch voorspelde configuraties. De uiteindelijke structuren zijn een gevolg van de neiging van het systeem om een dicht-gepakte configuratie te vormen en de vorming van schil-achtige structuren naar aanleiding van een sterke attractie. Hoe sterker de aantrekking, hoe meer deeltjes in een specifieke schil kunnen gepakt worden, en hoe meer schil-achtig de uiteindelijke structuur zal zijn. Dit houdt nauw verband met het fenomeen van oppervlaktespanning waar de aantrekking tussen moleculen of atomen resulteert in de minimalisatie van de uitwendige oppervlakte. Deze concurrentie geeft, in het geval van sterke attractie, aanleiding tot een sequentiële vorming van regelmatige veelvlakken.