[논문 리뷰] Emergent Facilitation and Glassy Dynamics in Supercooled Liquids

Muhammad R. Hasyim, Kranthi K. Mandadapu|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 10.

Material Dynamics and Properties인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 액체에서의 동적 촉진 현상을 설명하는 이론을 제안한다. 국소적 결합 교환 진동자들이 탄성 응력을 생성하고, 이로 인해 저온에서 집단적 촉진 현상이 발생한다. 선형 탄성 이론과 마르코프 과정을 사용하여, 이론 모델은 탄성파와 진동자 기여를 결합함으로써, 스트레칭 지수 감쇠, 초아레니우스적 느슨함 시간 상수, 부분적 확산, 궤도-부분확산-확산 전이와 같은 유리성 동역학을 재현한다.

ABSTRACT

In supercooled liquids, dynamical facilitation refers to a phenomenon where microscopic motion begets further motion nearby, resulting in spatially heterogeneous dynamics. This is central to the glassy relaxation dynamics of such liquids, which show super-Arrhenius growth of relaxation timescales with decreasing temperature. Despite the importance of dynamical facilitation, there is no theoretical understanding of how facilitation emerges and impacts relaxation dynamics. Here, we present a theory that explains the microscopic origins of dynamical facilitation. We show that dynamics proceeds by localized bond-exchange events, also known as excitations, resulting in the accumulation of elastic stresses with which new excitations can interact. At low temperatures, these elastic interactions dominate and facilitate the creation of new excitations near prior excitations. Using the theory of linear elasticity and Markov processes, we simulate a model, which reproduces multiple aspects of glassy dynamics observed in experiments and molecular simulations, including the stretched exponential decay of relaxation functions, the super-Arrhenius behavior of relaxation timescales as well as their two-dimensional (2D) finite-size effects. The model also predicts the subdiffusive behavior of the mean squared displacement (MSD) on short, intermediate timescales. Furthermore, we derive the phonon contributions to diffusion and relaxation, which when combined with the excitation contributions produce the two-step relaxation processes, and the ballistic-subdiffusive-diffusive crossover MSD behaviors commonly found in supercooled liquids.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 액체에서의 동적 촉진 현상의 미시적 기원을 이해하는 것. 이는 유리성 리아케이션의 핵심 메커니즘이다.
• 온도가 감소함에 따라 느슨함 시간 상수가 초아레니우스적으로 증가하는 현상을 설명하는 것.
• 실험 및 시뮬레이션에서 관측된 특성들, 예를 들어 스트레칭 지수 감쇠와 2차원에서의 유한한 크기 효과를 재현하는 것.
• 진동자와 진동자 기여가 확산과 리아케이션에 미치는 상호작용을 유도하는 것.
• 초냉각 액체에서 평균 제곱 이동(MSD)이 궤도 운동에서 부분확산으로, 다시 확산으로 전이되는 현상을 설명하는 것.

제안 방법

• 격자 내 국소적 결합 교환 사건(진동자)를 탄성 응력의 원천으로 모델링하는 것.
• 진동자 간 장거리 탄성 상호작용을 기술하기 위해 선형 탄성 이론을 사용하는 것.
• 진동자의 확률적 생성과 전파를 시뮬레이션하기 위해 동역학을 마르코프 과정으로 기술하는 것.
• 진동자 기여로 인한 리아케이션과 진동자 기여로 인한 확산을 결합하여 이중단계 리아케이션 과정을 모델링하는 것.
• 유한한 크기 효과를 캡처하기 위해 2차원에서 시스템을 시뮬레이션하는 것.
• 시간 스케일 전반에 걸친 평균 제곱 이동(MSD) 행동을 유도하여, 부분확산 영역을 포함하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초냉각 액체 내 국소적 진동자가 탄성 상호작용을 통해 어떻게 집단적 촉진 현상을 유도하는가?
• RQ2 초냉각 액체에서 느슨함 시간 상수가 온도에 따라 초아레니우스적으로 증가하는 기원은 무엇인가?
• RQ3 진동자와 진동자 기여가 어떻게 실험에서 관측된 이중단계 리아케이션을 공동으로 생성하는가?
• RQ4 왜 평균 제곱 이동(MSD)이 궤도 운동에서 부분확산으로, 다시 확산으로 전이되는가?
• RQ5 2차원 시스템에서의 유한한 크기 효과는 리아케이션 동역학과 리아케이션 시간 상수에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 실험 관측 결과와 일치하는 중간 산란 함수의 스트레칭 지수 감쇠를 재현한다.
• 느슨함 시간 상수가 온도가 감소함에 따라 초아레니우스적으로 증가하는 경향을 보이며, 실험적 경향과 일치한다.
• 평균 제곱 이동(MSD)은 짧고 중간 시간 스케일에서 부분확산 행동을 보이며, 이후 확산 운동으로 전이된다.
• 2차원 시스템에서의 유한한 크기 효과가 정량적으로 캡처되었으며, 시뮬레이션 및 실험 데이터와 일치한다.
• 진동자와 진동자 기여가 확산과 리아케이션에 공동 기여하여 특징적인 이중단계 리아케이션 과정을 생성한다.
• 진동자 간 탄성 상호작용이 촉진 현상을 유도하며, 저온에서 기존 진동자 근처에 새로운 진동자가 더 잘 생성된다.