[論文レビュー] Relaxation mechanisms in supercooled liquids past the Mode--Coupling Crossover: Cooperatively Re--arranging Regions vs Excitations

Levke Ortlieb, Trond S. Ingebrigtsen+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2021

Material Dynamics and Properties参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、粒子分解能を持つ実験とGPUアクセラレートされたシミュレーションを組み合わせ、モード結合転移を超えた過冷却液体における緩和メカニズムを調査する。両者とも、局所的励起による動的促進（dynamic facilitation）と、協同的に再配列する領域（CRRs）による熱力学的理論（RFOT理論）が支持されることを示し、深すぎる過冷却において励起とCRRsの相関が増加する一方、CRRの時間スケールは微視的励起ダイナミクスから分離された明確な時間スケールを示す。

ABSTRACT

Among the challenges in discriminating between theoretical approaches to the glass transition is obtaining suitable data. In particular, particle--resolved data in liquids supercooled past the mode--coupling crossover has until recently been hard to obtain. Here we combine nano-particle resolved experiments and GPU simulation data which addresses this and investigate the predictions of differing theoretical approaches. We find support for both dynamic facilitation and thermodynamic approaches. In particular, excitations, the elementary units of relaxation in dynamic facilitation theory follow the predicted scaling behaviour and the properties of cooperatively rearranging regions (CRRs) are consistent with RFOT theory. At weak supercooling there is limited correlation between particles identified in excitations and CRRs, but this increases very substantially at deep supercooling. We identify a timescale related to the CRRs which is coupled to the structural relaxation time and thus decoupled from the excitation timescale, which remains microscopic.

研究の動機と目的

• ガラス転移が動的制約か熱力学的要因かによって駆動されるかという長年の議論を解消すること。
• 従来のシミュレーションが限界に達するモード結合転移を超えた領域で、平衡状態の粒子分解能データを取得すること。
• 同じ系において、動的促進理論（励起）とRFOT理論（協同的に再配列する領域、CRRs）の予測を検証すること。
• さまざまな過冷却度における励起とCRRsの関係を定量化すること。
• CRRsと励起に関連する明確な時間スケールを特定し、構造的緩和からそれらが分離されているかを評価すること。

提案手法

• 2:1カウズマン＝アンドリュースト（KA）モデルのGPUアクセラレートされた分子動力学的シミュレーションとナノスケール粒子分解能実験を組み合わせる。
• 動的不均一性を定量化し、モード結合転移温度 $T_{\text{mct}}$ を特定するために、動的感受率 $\chi_4(t)$ を用いる。
• 粒子追跡アルゴリズムを適用して励起を検出：粒子が時間スケール $t_a=200$ レナードジョーンズ単位で $a=0.5$ より大きな変位を示す必要があり、双曲正 tangent によるフィットから励起持続時間 $\delta t$ を抽出する。
• 空間的・時間的クラスタリングを用いて、相関した再配列を示す粒子の集合としてCRRsを特定し、しきい値ベースの検出法を適用する。
• 固有状態の調和近似を用いた熱力学的統合により、構成的エントロピー $S_{\text{conf}}$ を計算する。
• 励起濃度とCRRサイズのスケーリング行動を理論的予測（例：$\chi_4$ ピークの $\tau_\alpha^{1.2}$ スケーリング）と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的促進理論が予測するように、局所的励起は過冷却液体で期待されるスケーリング行動を示すか？
• RQ2 協同的に再配列する領域（CRRs）の性質は、RFOT理論の予測と整合的か。特に、過冷却度が増加するにつれてCRRsが拡大するか？
• RQ3 励起とCRRsに属する粒子の相関は、温度に応じてどのように変化するか？
• RQ4 CRRダイナミクスに関連する明確な時間スケールが存在し、それが微視的励起時間スケールから分離されているか？
• RQ5 粒子分解能データは、深すぎる過冷却領域における動的理論と熱力学的理論の競合を解明できるか？

主な発見

• 動的追跡アルゴリズムにより同定された励起は、予測されたスケーリング行動に従い、動的促進理論における基本的な緩和単位としての役割を確認する。
• 協同的に再配列する領域（CRRs）のサイズは、過冷却度が増加するにつれて顕著に増加し、RFOT理論および構成的エントロピーの低下と整合的である。
• 弱い過冷却度では、励起に属する粒子とCRRsに属する粒子との間には相関がほとんどないが、深すぎる過冷却度では相関が著しく増加する。
• CRRダイナミクスに関連する明確な時間スケールが同定され、構造的緩和時間 $\tau_\alpha$ と関連づけられ、したがって微視的励起時間スケールから分離されている。
• 動的感受率 $\chi_4(t)$ のピークは $\tau_\alpha^{1.2}$ に比例してスケーリングされ、以前の報告と整合的であり、強い動的不均一性を示す。
• 励起を検出するアルゴリズムは低温域でも有効であるが、$T_{\text{mct}}$ 付近では粒子運動が著しく活発になり、励起イベントが明確でなくなるため、機能を失う。