[論文レビュー] Perspective: Nonequilibrium glassy dynamics in dense systems of active particles

Ludovic Berthier, Elijah Flenner+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2019

Material Dynamics and Properties参考文献 111被引用数 26

ひとこと要約

本稿は、自己駆動と混雑の競合がガラス転移に類似した動的停止を引き起こす、密度の高いアクティブ物質系における非平衡ガラス的ダイナミクスをレビューする。最小モデルとして無熱的アクティブ・オルンシュタイン＝ウーレンベック粒子（AOUP）やアクティブ・ブラウン運動粒子を用い、著者らはアクティブダイナミクスが一般に非平衡ガラス転移を引き起こすことを示し、静的および動的相関を捉えるためにモード結合理論や平均場的手法が非平衡系に拡張された理論枠組みを提示する。

ABSTRACT

Despite the diversity of materials designated as active matter, virtually all active systems undergo a form of dynamic arrest when crowding and activity compete, reminiscent of the dynamic arrest observed in colloidal and molecular fluids undergoing a glass transition. We present a short perspective on recent and ongoing efforts to understand how activity competes with other physical interactions in dense systems. We first review recent experimental work on active materials that uncovered both classic signatures of glassy dynamics and intriguing novel phenomena at large density. We introduce a minimal model of self-propelled particles where the competition between interparticle interactions, crowding, and self-propulsion can be studied in great detail. We discuss more complex models that include some additional, material-specific ingredients. We end with some general perspectives on dense active materials, suggesting directions for future research, in particular for theoretical work.

研究の動機と目的

• 密度の高いアクティブ系における動的停止を引き起こす活性、混雑、粒子間相互作用の競合を理解すること。
• 平衡ガラス理論とアクティブ物質の間のギャップを埋めるために、非平衡理論枠組みをアクティブ系に拡張すること。
• アクティブガラス的ダイナミクスの普遍的特徴を特定し、零活性限界におけるジャミング転移と区別すること。
• 既存理論の妥当性を評価し、主な未解決課題を特定することで、今後の理論的およびシミュレーション的研究を導くこと。
• 外部駆動下でアクティブ系に流れのあるガラスや流れのある結晶といった新たな相が出現する可能性を検討すること。

提案手法

• 最小モデルの使用：自己駆動と混雑の影響を分離するために無熱的アクティブ・オルンシュタイン＝ウーレンベック粒子（AOUP）を用いる。
• モード結合理論（MCT）および平均場pスピンアプローチを用いて、アクティブ系における非平衡ガラス転移を予測する。
• 動的密度汎関数理論（DDFT）を変更し、アクティブ力と非平衡静的相関を含める。
• 静的構造が既知であると仮定する理論と、自己整合的に自己駆動の時間発展を計算する理論を比較する。
• 『一時的通過を介した統合』（ITT）アプローチを用いて、アクティブ駆動下の定常状態ダイナミクスをモデル化する。
• シミュレーションとの定量的比較を通じた理論の妥当性評価：モード結合方程式への測定済静的相関を入力として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的ノイズが存在しない状況下でも、密度の高いアクティブ系において非平衡ガラス転移を一般に予測できるか？
• RQ2 アクティブ自己駆動は、平衡ガラス形成体で観察されるキャージングと動的不均一性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 非平衡静的相関が、アクティブ物質におけるガラス状態の安定化または不安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 どのような条件下で、アクティブ系に流れのあるガラスまたは流れのある結晶相が出現する可能性があるか？
• RQ5 MCT、pスピン、RFOTなどの異なる理論枠組みは、アクティブ系における動的停止の発生を予測する上で、どのように比較されるか？

主な発見

• 非平衡ガラス転移は、モード結合理論や平均場的手法を含む複数の理論枠組みによって予測される、密度の高いアクティブ系の一般的な特徴である。
• 無熱的AOUPやアクティブ・ブラウン運動粒子に基づく理論モデルは、自己駆動と混雑の競合によって引き起こされる動的停止転移を一貫して予測する。
• 自己駆動の時間発展と非平衡静的相関を両方組み込んだ理論（Szamel, 2015, 2016; Voigtmann, 2017）は、正しい物理を捉える可能性を示している。
• アクティブダイナミクスは、平衡ガラス形成体と類似した顕著な動的不均一性と二段階緩和を引き起こすが、特徴的な非平衡シグネチャーを示す。
• 理論的予測では、機械的またはアクティブ駆動がガラス転移をわずかに変化させ、場合によっては抑制する可能性がある。
• 測定済静的相関をモード結合方程式の入力として用いる、シミュレーションベースの理論の定量的検証は、正確性と予測力の向上のための重要な次のステップである。