Mangepartikkelsystemer

Mangepartikkelsystemer er fysiske eller kjemiske systemer som består av et stort antall samvirkende partikler, for eksempel atomer, molekyler eller kolloidpartikler. Studiet av slike systemer kalles ofte mangepartikkelsfysikk eller statistisk mekanikk og omfatter både klassiske og kvantemekaniske regime. Målet er å forklare hvordan individuelle interaksjoner gir opphav til kollektiv oppførsel, fasetransisjoner og transportprosesser som temperatur, diffusjon og viskositet.

I klassiske mangepartikkelsystemer følger partiklene Newtons lover og interaksjonene beskrives ofte ved potensialer som Lennard-Jones eller Coulomb-krefter. MD-simuleringer eller Monte Carlo-metoder brukes for å utforske konfigurasjonsrom og dynamikk. Ensemblene mikrokanonisk, canonical og grand canonical brukes avhengig av om systemet er lukket eller åpent. Viktige observabler inkluderer energi, trykk, temperatur, radial fordeling funksjon g(r) og strukturfunksjon S(q).

I kvante mangepartikkelsystemer er oppgaven å løse mangelegemes Schrödinger-ligningen. Metoder som kvante Monte Carlo, density functional theory (DFT) og andre many-body-teknikker brukes, men utfordringer som tegnproblemet kan begrense beregningene for fermioner ved lav temperatur og høy nøyaktighet. Tilnærminger og effektive basis-sett er vanlige for å håndtere store systemer.

Beregning og simuleringer står overfor utfordringer som skalerbarhet med antall partikler, behov for parallelisering og passende grenseløsninger, samt tidsskalaer som varierer mellom molekylære prosesser og kolloidale systemer.

Anvendelser spenner fra materialvitenskap og kjemisk fysikk til myk materie, plasmafysikk og biologi. Mangepartikkelsystemer ligger til grunn for å modellere væsker, faste stoffer og fagområder som fasevisninger, transport og design av nye materialer.