[論文レビュー] Ferro-electric phase transition in a polar liquid and the nature of \lambda-transition in supercooled water

П. О. Федичев, L. I. Men’shikov|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2008

Material Dynamics and Properties参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、長距離的な双極子相互作用によって駆動される極性液体における強誘電体相転移が、臨界温度 T_c において2次相転移を引き起こし、過冷却水における異常（誘電率の特異性や異常な密度行動）を説明するものである。平均場近似およびリング図近似を用いて T_c を特定し、これら現象を集団的双極子配列と関連づけ、観測された異常を説明する微視的基盤を提示する。

ABSTRACT

We develop a series of approximations to calculate free energy of a polar liquid. We show that long range nature of dipole interactions between the molecules leads to para-electric state instability at low temperatures and to a second-order phase transition. We establish the transition temperature, T_{c}, both within mean field and ring diagrams approximation and show that the ferro-electric transition may play an important role explaining a number of peculiar properties of supercooled water, such as weak singularity of dielectric constant as well as to a large extent anomalous density behavior. Finally we discuss the role of fluctuations, shorter range forces and establish connections with phenomenological models of polar liquids.

研究の動機と目的

• 長距離的双極子-双極子相互作用が極性液体における2次相転移を誘導する役割を調査すること。
• 平均場近似およびリング図近似を用いて強誘電体転移の臨界温度 T_c を計算すること。
• 強誘電体転移と、過冷却水の弱い誘電率特異性や密度異常といった異常行動を結びつけること。
• 揺らぎおよび短距離力の相転移に与える影響と、物性的モデルへの影響を検討すること。

提案手法

• 長距離的双極子-双極子相互作用を組み込んだ極性液体の自由エネルギー関数の定式化。
• パラ誘電体から強誘電体への転移における臨界温度 T_c を決定するための平均場近似の適用。
• 平均場を超える揺らぎ効果を考慮するためのリング図の組み込み。
• 誘電率および密度応答関数の分析により、相転移と過冷却水における観測可能な異常との関連を明らかにする。
• 極性液体の物性的モデルと比較することで、微視的メカニズムの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離的双極子相互作用によって引き起こされる極性液体における強誘電体相転移の臨界温度 T_c は何か？
• RQ2 揺らぎおよびリング図は、平均場近似による T_c の予測をどのように修正するか？
• RQ3 強誘電体転移は、過冷却水の誘電率に現れる弱い特異性をどの程度説明できるか？
• RQ4 集団的双極子配列は、過冷却水における異常な密度行動にどのように寄与するか？
• RQ5 短距離力は予測された相転移およびその観測可能な結果をどのように変化させるか？

主な発見

• 双極子-双極子相互作用の長距離性が、低温における反強誘電体状態の不安定化を引き起こし、2次相転移を誘発する。
• 平均場近似およびリング図近似を用いて T_c が計算され、転移点の定量的推定が得られた。
• 強誘電体転移メカニズムは、過冷却水の誘電率に現れる弱い特異性を、双極子配列に起因する集団的応答として説明できる。
• 過冷却水における異常な密度行動の多くは、同じ双極子駆動の相転移メカニズムによって説明可能である。
• 揺らぎおよび短距離力は相転移行動を変化させるが、核心的なメカニズムは、物性的観察と一貫しており、頑健であることが示された。