Wigner crystals for a planar, equimolar binary mixture of classical, charged particles

We have investigated the ground state configurations of an equimolar, binary mixture of classical charged particles (with nominal charges $Q_1$ and $Q_2$) that condensate on a neutralizing plane. Using efficient Ewald summation techniques for the calculation of the ground state energies, we have identified the energetically most favourable ordered particle arrangements with the help of a highly reliable optimization tool based on ideas of evolutionary algorithms. Over a large range of charge ratios, $q = Q_2 / Q_1$, we identify six non-trivial ground states, some of which show a remarkable and unexpected structural complexity. For $0.59 \lesssim q < 1$ the system undergoes a phase separation where the two charge species populate in a hexagonal arrangement spatially separated areas.Comment: 14 pages, 8 figure

Taking one charge off a two-dimensional Wigner crystal

A planar array of identical charges at vanishing temperature forms a Wigner crystal with hexagonal symmetry. We take off one (reference) charge in a perpendicular direction, hold it fixed, and search for the ground state of the whole system. The planar projection of the reference charge should then evolve from a six-fold coordination (center of a hexagon) for small distances to a three-fold arrangement (center of a triangle), at large distances $d$ from the plane. The aim of this paper is to describe the corresponding non-trivial lattice transformation. For that purpose, two numerical methods (direct energy minimization and Monte Carlo simulations), together with an analytical treatment, are presented. Our results indicate that the $d=0$ and $d\to\infty$ limiting cases extend for finite values of $d$ from the respective starting points into two sequences of stable states, with intersecting energies at some value $d_t$; beyond this value the branches continue as metastable states.Comment: 17 pages, 11 figure

Structures ordonnées dans les systèmes avec des interactions à longue portée

The central paradigm in the emerging field of metamaterials is that the properties of a material are in certain cases governed rather by the well-ordered spatial arrangement of its constituent particles than by the properties of those particles themselves. Since such highly ordered patterns can act as waveguides for acoustic, elastic, or electromagnetic waves, they can give rise to novel material properties, opening up new avenues in materials design. The central problem of how to produce the required ordered particle arrangements, e.g., via self-assembly, has received significant attention both from the experimental and theoretical sides.In theoretical studies, the interactions between particles are modeled via potential functions, whose shape and range have a profound impact on the formed structures. These potentials are often short-ranged, i.e., they are characterized by a rapid decay with distance. In this thesis, we focus on systems featuring long-range interactions, where particles interact over significantly larger distances than the mean inter-particle separation. Typical examples for such potentials are charged or multipolar interactions.In our approach, we first determine the ordered structures formed by the particles at vanishing temperature by minimizing the relevant thermodynamic potential. We observe a surprising plethora of different structural archetypes as well as novel phase transition scenarios. Then, we investigate the stability of these structures at low temperatures using Monte Carlo simulations.L'un des concepts fondamentaux dans l'étude des métamatériaux est que, dans certains cas, les propriétés du milieu sont déterminées par l'arrangement structurel de ses composants plutôt que par les propriétés intrinsèques des particules. De telles structures hautement ordonnées peuvent servir de guide d'onde en acoustique, ainsi que pour des ondes élastiques ou électromagnétiques ; elles peuvent aussi induire de nouvelles propriétés, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives dans la conception des matériaux. Dans ce champ de recherche, la question centrale est de trouver comment produire ces arrangements ordonnés de particules et de molécules ; par exemple, un grand nombre d'études expérimentales et théoriques s'appuient sur des mécanismes d'auto-assemblage.Dans les études théoriques, ainsi que dans les simulations numériques, les interactions entre les constituants sont déterminées par des potentiels modèles ou effectifs dont la portée et la forme déterminent les structures collectives. Les potentiels utilisés sont souvent à courte portée, c'est-à-dire qu'ils ont une décroissance très rapide avec la distance ; typiquement, des molécules séparées de quelques diamètres moléculaires n'interagissent pas directement. Dans cette thèse, nous nous intéressons à ces structures ordonnées qu'il est possible d'obtenir, non pas avec des interactions à courte portée, mais avec des interactions à très longue portée (Coulomb, etc.). Notre démarche consiste dans un premier temps à déterminer les structures optimales à température nulle (états fondamentaux) en minimisant le potentiel thermodynamique adéquat ; puis, nous étudions la stabilité thermique de ces structures à basse température à l'aide de simulations numériques de Monte-Carlo. Nous observons une pléthore de structures prototypes, ainsi que des transitions de phases entre elles

Ordered equilibrium structures in confined dipolar systems

We have studied systems of dipolar soft spheres in a confined slab geometry: the system is confined between two parallel walls (separated by a finite width) and is periodic in the other two directions. We were interested in the energetically most favorable configurations at zero temperature at constant number density. In order to find the particle configurations corresponding to the global minimum in the relevant thermodynamical potential, we have used an optimization tool based on ideas of genetic algorithms. For a correct treatment of the long-ranged dipolar interactions, energy calculations were carried out employing the method of Ewald sums. We have investigated confined systems of soft spheres both with and without dipole moment. In addition, we have also studied the effects of an external field perpendicular to the walls. We have identified the complex intermediate phases as the system creates, with increasing slab width, several interesting buckling structures.9

Ordered equilibrium structures in systems with long-range interactions

L'un des concepts fondamentaux dans l'étude des métamatériaux est que, dans certains cas, les propriétés du milieu sont déterminées par l'arrangement structurel de ses composants plutôt que par les propriétés intrinsèques des particules. De telles structures hautement ordonnées peuvent servir de guide d'onde en acoustique, ainsi que pour des ondes élastiques ou électromagnétiques ; elles peuvent aussi induire de nouvelles propriétés, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives dans la conception des matériaux. Dans ce champ de recherche, la question centrale est de trouver comment produire ces arrangements ordonnés de particules et de molécules ; par exemple, un grand nombre d'études expérimentales et théoriques s'appuient sur des mécanismes d'auto-assemblage.Dans les études théoriques, ainsi que dans les simulations numériques, les interactions entre les constituants sont déterminées par des potentiels modèles ou effectifs dont la portée et la forme déterminent les structures collectives. Les potentiels utilisés sont souvent à courte portée, c'est-à-dire qu'ils ont une décroissance très rapide avec la distance ; typiquement, des molécules séparées de quelques diamètres moléculaires n'interagissent pas directement. Dans cette thèse, nous nous intéressons à ces structures ordonnées qu'il est possible d'obtenir, non pas avec des interactions à courte portée, mais avec des interactions à très longue portée (Coulomb, etc.). Notre démarche consiste dans un premier temps à déterminer les structures optimales à température nulle (états fondamentaux) en minimisant le potentiel thermodynamique adéquat ; puis, nous étudions la stabilité thermique de ces structures à basse température à l'aide de simulations numériques de Monte-Carlo. Nous observons une pléthore de structures prototypes, ainsi que des transitions de phases entre elles.The central paradigm in the emerging field of metamaterials is that the properties of a material are in certain cases governed rather by the well-ordered spatial arrangement of its constituent particles than by the properties of those particles themselves. Since such highly ordered patterns can act as waveguides for acoustic, elastic, or electromagnetic waves, they can give rise to novel material properties, opening up new avenues in materials design. The central problem of how to produce the required ordered particle arrangements, e.g., via self-assembly, has received significant attention both from the experimental and theoretical sides.In theoretical studies, the interactions between particles are modeled via potential functions, whose shape and range have a profound impact on the formed structures. These potentials are often short-ranged, i.e., they are characterized by a rapid decay with distance. In this thesis, we focus on systems featuring long-range interactions, where particles interact over significantly larger distances than the mean inter-particle separation. Typical examples for such potentials are charged or multipolar interactions.In our approach, we first determine the ordered structures formed by the particles at vanishing temperature by minimizing the relevant thermodynamic potential. We observe a surprising plethora of different structural archetypes as well as novel phase transition scenarios. Then, we investigate the stability of these structures at low temperatures using Monte Carlo simulations

Geordnete Gleichgewichtsstrukturen in Systemen mit langreichweitigen Wechselwirkungen

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt. und in franz. SpracheSogenannte Metamaterialien bieten einen vielversprechenden Ansatz für die Herstellung von neuartigen funktionalen Materialien. Das ihnen zugrundeliegende Konzept besagt, dass die Eigenschaften eines Materials in gewissen Fällen stärker von der geometrischen Anordnung seiner Bestandteile abhängen als von deren Beschaffenheit. Solche wohlgeordneten Teilchenstrukturen können sich wie akustische, elastische, oder elektromagnetische Wellenleiter verhalten, was eine Vielzahl von interessanten Anwendungen ermöglicht. Das zentrale Problem der Herstellung dieser Strukturen, beispielsweise durch self-assembly, ist in den letzten Jahren auf reges experimentelles und theoretisches Interesse gestoßen. Die Wechselwirkungen zwischen Teilchen werden in theoretischen Studien durch Potentialfunktionen ausgedrückt, deren Form einen erheblichen Einfluss auf die gebildeten Strukturen hat. Häufig werden hierfür Potentiale verwendet, die mit dem Abstand schnell abfallen. In dieser Dissertation beschäftigen wir uns mit sogenannten langreichweitigen Wechselwirkungen, bei denen Teilchen über viele mittlere Teilchenabstände miteinander wechselwirken. Typische Beispiele für solche Potentiale sind Wechselwirkungen zwischen elektrischen Ladungen oder Multipolen. Unsere Vorgangsweise besteht zunächst darin, die Grundzustandsstruktur des Systems bei verschwindender Temperatur zu studieren, indem wir das relevante thermodynamische Potential - in diesem Fall die Energie - minimieren. Wir beobachten eine Vielzahl von Strukturen und neuartige Szenarien für Phasenübergänge. In einem weiteren Schritt verwenden wir Monte Carlo-Simulationen, um die Stabilität dieser Strukturen bei niedrigen Temperaturen zu untersuchen.The central paradigm in the emerging field of metamaterials is that the properties of a material are in certain cases governed rather by the well-ordered spatial arrangement of its constituent particles than by the properties of those particles themselves. Since such highly ordered patterns can act as waveguides for acoustic, elastic, or electromagnetic waves, they can give rise to novel material properties, opening up new avenues in materials design. The central problem of how to produce the required ordered particle arrangements, e.g., via self-assembly, has received significant attention both from the experimental and theoretical sides. In theoretical studies, the interactions between particles are modeled via potential functions, whose shape and range have a profound impact on the formed structures. These potentials are often short-ranged, i.e., they are characterized by a rapid decay with distance. In this thesis, we focus on systems featuring long-range interactions, where particles interact over significantly larger distances than the mean inter-particle separation. Typical examples for such potentials are charged or multipolar interactions. In our approach, we first determine the ordered structures formed by the particles at vanishing temperature by minimizing the relevant thermodynamic potential. We observe a surprising plethora of different structural archetypes as well as novel phase transition scenarios. Then, we investigate the stability of these structures at low temperatures using Monte Carlo simulations.14