[論文レビュー] Mixing Effects in the Crystallization of Supercooled Quantum Binary Liquids

M. Bissinger, J. M. Fernández+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2015

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 37被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ラマン分光法を用いた液体マイクロジェットと経路積分モンテカルロ（PIMC）シミュレーションを用いて、超冷却された量子的二成分液体混合系（パラ水素（pH2）またはオルトジユートリウム（oD2）とネオン（Ne）不純物）における結晶化kineticsおよび構造的進化を調査した。Ne不純物は結晶成長速度を顕著に抑制し、Neを多く含む結晶核を形成することで核生成を促進するが、成長kineticsは有効粒子サイズ比によって定量化された量子的拡散効果と強く相関していることが明らかになった。

ABSTRACT

By means of Raman spectroscopy of liquid microjets we have investigated the crystallization process of supercooled quantum liquid mixtures composed of parahydrogen (pH$_2$) diluted with small amounts of up to 5\% of either neon or orthodeuterium (oD$_2$), and of oD$_2$ diluted with either Ne or pH$_2$. We show that the introduction of Ne impurities affects the crystallization kinetics in both the pH$_2$-Ne and oD$_2$-Ne mixtures in terms of a significant reduction of the crystal growth rate, similarly to what found in our previous work on supercooled pH$_2$-oD$_2$ liquid mixtures [M. K\"uhnel et {\it al.}, Phys. Rev. B extbf{89}, 180506(R) (2014)]. Our experimental results, in combination with path-integral simulations of the supercooled liquid mixtures, suggest in particular a correlation between the measured growth rates and the ratio of the effective particle sizes originating from quantum delocalization effects. We further show that the crystalline structure of the mixture is also affected to a large extent by the presence of the Ne impurities, which likely initiate the freezing process through the formation of Ne crystallites.

研究の動機と目的

• 超冷却された量子的二成分液体におけるNe不純物が結晶化kineticsに与える影響を理解すること。
• 粒子サイズの差異と量子的拡散効果が結晶成長速度に果たす役割を調査すること。
• Ne不純物がpH2およびoD2混合系において構造的変化や核生成経路を誘発するかどうかを特定すること。
• 実験的に測定された成長速度と、量子的拡散効果から導かれる有効粒子サイズ比との相関を検証すること。

提案手法

• 超冷却混合系における結晶化をマイクロ秒スケールで時間分解能をもって測定するために、液体マイクロジェット技術とラマン分光法を用いた。
• 分子間相互作用にLennard-JonesおよびSilvera-Goldmanポテンシャルを用いた経路積分モンテカルロ（PIMC）シミュレーションを実施した。
• 量子効果をモデル化するためにリングポリマー表現を用い、pH2-NeおよびoD2-Ne系に対してそれぞれ54および41個のビードを用いた。
• 局所的秩序と結晶対称性を特定するために、局所結合秩序（LBO）パラメータおよび粗粒度化された不変量Q4、Q6、w6を用いた。
• 近接原子を定義し、量子系におけるLBO解析の安定性を向上させるために、デローニ三角形分割を適用した。
• 非立方体のボックスと不規則な初期配置を用いて、シミュレーションで結晶化を防止した。この有効性はp(Q4, Q6)分布を用いて検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ne不純物は、超冷却されたpH2およびoD2混合系における結晶成長速度にどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 有効粒子サイズ比（量子的拡散効果によって反映される）と観測された結晶化kineticsとの相関は、どの程度強いか？
• RQ3 Neの存在が優先的な核生成を誘発するか、または混合系の結晶構造を変化させるか？
• RQ4 PIMCシミュレーションは、超冷却状態下におけるこれらの量子的二成分混合系の構造的および動的挙動を正確に捉えられるか？

主な発見

• Ne不純物は、pH2-NeおよびoD2-Ne混合系の両方において結晶成長速度を低下させ、pH2-oD2系における既存の知見と整合的である。
• 測定された結晶成長速度は、量子的拡散効果に起因する有効粒子サイズ比と強く相関しており、質量の大きなNe原子は顕著に拡散が小さいことが示された。
• Ne不純物は、主相の成長を促進する種として機能する、Neを多く含む結晶核の形成を通じて核生成を促進する。
• PIMCシミュレーションは、シミュレートされた力学的不安定な超冷却状態において、バルク結晶化が発生しないことを確認しており、p(Q4, Q6)分布が局所的秩序の指標として有効であることを裏付けた。
• Q6およびQ4不変量は、液体的状態、体心立方（bcc）、六方最密構造（hcp）、面心立方（fcc）に類似した局所的環境を効果的に区別でき、w6はイコサヘドロンに類似した構造への傾向を示した。
• 実験的およびシミュレーション的結果は、粒子サイズの差異と量子的拡散効果が、量子的二成分混合系における結晶化kineticsを支配するメカニズムであることを支持している。