[論文レビュー] On the nature of the glass transition in atomistic models of glass formers

Alexander Hudson, Kranthi K. Mandadapu|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2018

Material Dynamics and Properties被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、冷却速度一定の条件下で原子的モデルのガラス形成体のガラス転移をシミュレートし、階層的リラクゼーションを示す力学的制約付き格子モデルであるEastモデルの予測を検証する。構造的リラクゼーション時間τは、冷却速度に依存するTgにおいて、スーパー・アレニウス的からアレニウス的挙動への遷移を示し、lnτ対1/Tの傾きにTg近辺でピークが観察される。一方、Tg未満では短時間の粒子移動に空間的相関が認められず、Eastモデルの予測とは相反する。

ABSTRACT

We study the nature of the glass transition by cooling model atomistic glass formers at constant rate from a temperature above the onset of glassy dynamics to $T=0$. Motivated by the East model, a kinetically constrained lattice model with hierarchical relaxation, we make several predictions about the behavior of the supercooled liquid as it passes through the glass transition. We then compare those predictions to the results of our atomistic simulations. Consistent with our predictions, our results show that the relaxation time $τ$ of the material undergoes a crossover from super-Arrhenius to Arrhenius behavior at a cooling-rate-dependent glass transition temperature $T_ ext{g}$. The slope of $\lnτ$ with respect to inverse temperature exhibits a peak near $T_ ext{g}$ that grows more pronounced with slower cooling, matching our expectations qualitatively. Additionally, the limiting value of this slope at low temperature shows remarkable quantitative agreement with our predictions. Our results also show that the rate of short-time particle displacements deviates from the equilibrium linear scaling around $T_ ext{g}$, asymptotically approaching a different linear scaling. To our surprise, these short-time displacements, the dynamic indicators of the underlying excitations responsible for structural relaxation, show no spatial correlations beyond a few particle diameters, both above and below $T_ ext{g}$. This final result is contrary to our expectation, based on previous results for East model glasses formed by cooling, that inter-excitation correlations should emerge as the liquid vitrifies.

研究の動機と目的

• 定冷速度での冷却シミュレーションを用いて、原子的ガラス形成体におけるガラス転移の性質を調査すること。
• 動的制約付きモデルにおける励起のリラクゼーション時間の挙動と空間的相関に関するEastモデルの予測を検証すること。
• 動的制約付きモデルが予測するように、Tg未満で短時間の粒子移動が空間的に相関するかどうかを特定すること。
• 粒子移動をガラス形成液体における励起の指標として用いる妥当性を評価すること。
• 原子的シミュレーション結果とEastモデルの理論的枠組みとの乖離を解明すること。

提案手法

• 原子的ガラス形成体を、開始温度Toより高い状態からT=0まで定冷却速度で冷却するシミュレーションを実施する。
• 非振動的で短時間の粒子移動を示す粒子を、励起の代理として動的指標関数を用いて同定する。
• リラクゼーション時間τ(T)の温度依存性、特にlnτ対1/Tの傾きの解析を行う。
• 移動粒子の空間相関関数を計算し、Tg以上と未満での励起間の相関を検出する。
• 特にlnτ ∝ (1/T - 1/To)²の放物型スケーリングに関する理論的予測と、シミュレーション結果を比較する。
• 指標関数、距離カットオフ、観測時間、空間分布関数を変更することで、妥当性の検証を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Eastモデルの予測通り、冷却速度に依存するTgにおいて、原子的ガラス形成体のリラクゼーション時間τはスーパー・アレニウス的からアレニウス的挙動への遷移を示すか？
• RQ2 lnτ対逆温度の傾きはTg近辺にピークを示し、冷却速度が遅くなるに従いそのピークが顕著になるか？
• RQ3 動的制約付きモデルにおける階層的リラクゼーションが予測するように、Tg未満で短時間の粒子移動が空間的に相関するか？
• RQ4 粒子移動を示す動的指標は、構造的リラクゼーションを引き起こす背後にある励起を忠実に反映しているか？
• RQ5 移動粒子に空間的相関が認められないという観察結果を、Eastモデルの理論的枠組みと調和させることは可能か？

主な発見

• リラクゼーション時間τは、冷却速度に依存するガラス転移温度Tgにおいて、明確にスーパー・アレニウス的からアレニウス的挙動への遷移を示し、Eastモデルの予測と整合的である。
• lnτ対1/Tの傾きは、Tg近辺に顕著なピークを示し、冷却速度が遅くなるに従いその大きさが増大する。これはEastモデルの定性的な予測と一致する。
• 低温領域における傾きの極限値は、Eastモデルからの理論的予測と顕著な定量的整合性を示している。
• Tgにおいて、短時間の粒子移動が平衡線形スケーリングから逸脱し、異なる線形スケーリングに漸近的に近づくことから、動的状態の変化が示唆される。
• Tg未満では強い非平衡状態にあっても、数個の粒子径を超える範囲では、移動粒子間に空間的相関が認められず、Eastモデルの予測とは相反する。
• 指標関数、距離カットオフ、観測時間の定義を変更した妥当性の検証により、すべての条件下で空間的相関の欠如が確認された。