[論文レビュー] Microscopic origin of excess wings in relaxation spectra of deeply supercooled liquids

Benjamin Guiselin, Camille Scalliet+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Material Dynamics and Properties参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、深く過冷却された液体の緩和スペクトルにおける過剰なウェインズが、均一でない活性化動的および動的促進によって駆動され、局所的でまれな領域がマクロな系よりもはるかに早く緩和するためであることを明らかにした。スワップモンテカルロを用いた分子動力学シミュレーションにより、実験と一致するべきべきべきのべき乗則的減衰が得られ、この二つのメカニズムが観察された非指数的緩和を説明する最小限の物理的要因であることが確立された。

ABSTRACT

We combine the giant equilibration speedup provided by the swap Monte Carlo algorithm to extensive multi-CPU molecular dynamics simulations to explore the first ten decades of the equilibrium dynamics of supercooled liquids near the experimental glass transition. We demonstrate in particular the emergence of a power law in relaxation spectra, in quantitative agreement with the wings observed experimentally. Detailed analysis of particle motion shows that this power law directly originates from broadly distributed processes experienced by rare, localised regions relaxing much before the bulk. We explain why these wings appear in excess by constructing an empirical model associating heterogeneous activated dynamics and dynamic facilitation, which appear to be the two minimal physical ingredients revealed by our simulations.

研究の動機と目的

• 深く過冷却された液体の誘電および動的緩和スペクトルにおける過剰なウェインズの微視的起源を解明すること。
• これらのスペクトル的ウェインズが標準モデルと比較して過剰に現れる理由を理解すること。
• 過冷却系における非指数的緩和を説明する最小限の物理的メカニズムを同定すること。
• 微視的粒子動的とガラス転移付近の巨視的緩和挙動とのギャップを埋めること。

提案手法

• 分子動力学シミュレーションにおける巨大な平衡化スピードアップを達成するため、スワップモンテカルロアルゴリズムを採用した。
• 平衡状態の10桁にわたるダイナミクスに到達するため、広範なマルチCPUシミュレーションを実施した。
• 粒子の運動と緩和プロセスを解析し、空間的に不均一な動的挙動を同定した。
• 不均一な活性化動的と動的促進を組み合わせた経験的モデルを構築し、スペクトル的特徴を説明した。
• シミュレートされた緩和スペクトルと実験データを比較し、べき乗則的挙動の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深く過冷却された液体の緩和スペクトルに観察される過剰なウェインズを生じる微視的プロセスは何か？
• RQ2 なぜこれらのウェインズが従来の緩和モデルと比較して過剰に現れるのか？
• RQ3 実験的に観察された緩和スペクトルにおけるべき乗則的減衰を再現するのに十分な物理的メカニズムは何か？
• RQ4 まれで局所的な領域は、過冷却系全体の緩和ダイナミクスにどのように寄与しているか？

主な発見

• シミュレーションから、実験的観察と定量的に一致するべき乗則的減衰が緩和スペクトルに現れた。
• べき乗則は、マクロな系よりもはるかに早く緩和するまれな局所的領域に起因し、極めて非均一な動的挙動を示している。
• 不均一な活性化動的と動的促進が、観察されたスペクトル的特徴を説明する二つの最小限の物理的要因として同定された。
• シミュレーションにより、これらの局所的領域がガラス転移付近における非指数的緩和挙動の原因であることが明らかになった。