Phase transitions and dimensional cross-over in layered confined solids

各向同性 单层 石墨烯 材料科学 分子动力学 相(物质) Crystal(编程语言) 相变 化学物理 凝聚态物理 纳米技术 物理 化学 光学 计算化学 复合材料 量子力学 程序设计语言 计算机科学
作者
Yong Wang,Junjie Wang,Ge Yao,Zheyong Fan,Enzo Granato,J Kosterlitz,Tapio Ala-Nissilä,Roberto Car,Jian Sun
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:122 (17): e2502980122-e2502980122 被引量:3
标识
DOI:10.1073/pnas.2502980122
摘要

The nature of solid phases and cross-over of order-disorder phase transitions from two-dimensional (2D) layers to three-dimensional (3D) bulk in confined atomic systems remain largely unexplained. To this end, we consider noble gases and aluminum confined between graphene sheets at different pressures and temperatures. Using crystal structure search methods and molecular dynamics based on machine-learned potentials with quantum-mechanical accuracy, we identify structures of multilayer confined solids that deviate from simple close packing. Upon heating, we find that confined 2D monolayers melt according to the two-step continuous Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young theory. However, multilayer solids transition continuously into an intermediate layered-hexatic phase before melting discontinuously into an isotropic liquid. This intermediate phase persists at least up to 12 layers studied here. This change can be qualitatively understood based on the cross-over from 2D topological defects toward 3D ones during melting as the number of layers increases.
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