Статистическая физика наносистем изучает поведение макроскопических свойств систем, состоящих из большого числа частиц, находящихся на наномасштабе, с учётом особенностей их микроскопической структуры, размеров и взаимодействий.
В классической статистической физике рассматриваются термодинамические пределы (бесконечно большие системы), где флуктуации малы. В наносистемах объем конечен и соизмерим с длиной корреляции, что приводит к усилению флуктуаций и необходимости учитывать конечные размерные эффекты.
Отношение поверхности к объему в наносистемах велико, что приводит к тому, что поверхностные энергии и взаимодействия существенно влияют на термодинамические свойства.
В наносистемах энергетические уровни часто дискретны и могут быть хорошо разрешены, что меняет статистические распределения частиц и влияет на теплоемкость, магнитные свойства, проводимость и др.
Микроканоническое, каноническое и грандканоническое распределения
В статистической физике для описания наносистем используются все классические ансамбли, однако с учетом малых размеров и возможной нелокальности взаимодействий.
Методы молекулярной динамики и Монте-Карло
Для численного моделирования наносистем применяются компьютерные методы, позволяющие учитывать сложную структуру взаимодействий и флуктуации.
Флуктуации физических величин в наносистемах становятся существенно больше в относительном масштабе, что ведет к значительным отклонениям от средних значений и необходимости анализа распределений вероятностей.
В наносистемах наблюдается аномальное поведение теплоемкости и коэффициента термоэкспансии, что связано с изменениями в спектре колебаний и электронной структуре.
Для электронов, фононов и спинов в наноструктурах необходимо использовать квантовые статистические методы, учитывая дискретизацию уровней и специфические граничные условия.
Развивается теория, учитывающая:
В малых системах фазовые переходы сглаживаются, критические точки размываются, и наблюдаются так называемые псевдофазовые переходы с непрерывным изменением параметров.
В целом, магнитные свойства металлических наночастиц и статистическая
физика наносистем — это взаимодополняющие области, которые требуют
комплексного подхода, объединяющего квантовую механику, термодинамику,
теорию спинов и современные методы вычислительной физики для адекватного
описания и понимания наномасштабных явлений.