[논문 리뷰] Finite-size scaling under amorphous boundary conditions unveils cooperative rearrangement in glass-forming liquids

Andrea Cavagna, Tomás S. Grigera외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 18.

Material Dynamics and Properties참고 문헌 3인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 비정질 경계 조건 하에서 액체의 평형화 시간을 측정함으로써 유리형 성질을 띠는 액체에서 점에서 집합으로의 상관 길이가 협동적으로 재배열되는 영역의 크기를 규명함을 보여준다. 표면 장력의 변동을 고려할 경우 이 결과는 유리 전이의 무작위 제1차 이론을 지지하며, 냉각된 액체에서의 협동 동역학에 대한 직접적인 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Instituto de Biocomputacion y F´isica de Sistemas Complejos (BIFI), SpainThe growth of cooperatively rearranging regions was invoked long ago by Adam and Gibbs toexplain the slowing down of glass-forming liquids. The absence of experimental confirmations,though, turned them into one of the longest-sought chimeras in condensed matter physics. The lackof knowledge about the nature of the growing order complicates the definition of appropriate cor-relation functions. One option is the point-to-set correlation function, which shows that the spatialrule of amorphous boundaries grows when lowering the temperature. By measuring the equilibrationtime of a liquid droplet bounded by amorphous boundary conditions in a low temperature modelglass-former, we show that the point-to-set correlation length is naturally identified with the size ofthe cooperatively rearranging regions. The equilibration time increases with the size of the dropletand saturates to the bulk value when the droplet outgrows the point-to-set correlation length. Ourresults can be interpreted within the Random First Order theory of the glass transition, providedthat the surface tension between different amorphous states is allowed to fluctuate.

연구 동기 및 목표

• 유리 전이의 애덤-지브스 이론의 핵심이 되는 협동적으로 재배열되는 영역의 성격을 조사하는 것.
• 모의 실험을 통해 점에서 집합으로의 상관 길이가 이러한 영역의 크기와 실질적으로 연결될 수 있는지 규명하는 것.
• 비정질 경계 조건 하에서의 모의 실험과 무작위 제1차 이론의 일관성을 시험하는 것.
• 비정질 상태 간의 표면 장력 변동이 유리 전이 메커니즘에서 수행하는 역할을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 비정질 경계 조건에 둘러싸인 저온 모델 유리형 물질을 시뮬레이션하는 것.
• 이러한 드롭렛의 크기에 따라 평형화 시간을 측정하는 것.
• 점에서 집합으로의 상관 함수를 사용하여 시스템 내의 공간적 상관관계를 탐색하는 것.
• 드롭렛 크기와 평형화 시간의 스케일링을 분석하여 점에서 집합으로의 상관 길이에서의 전이점을 규명하는 것.
• 비정질 상태 간의 표면 장력 변동을 고려한 무작위 제1차 이론의 예측과 시뮬레이션 결과를 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 점에서 집합으로의 상관 길이는 유리형 액체에서 협동적으로 재배열되는 영역의 특징적인 크기와 일치하는가?
• RQ2 비정질 경계 조건 하에서 드롭렛의 평형화 시간은 드롭렛 크기와 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 평형화 시간이 균질한 값으로 포화되는 드롭렛의 크기는 얼마이며, 이는 상관 길이에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 표면 장력의 변동을 포함할 경우 무작위 제1차 이론이 관측된 스케일링 행동을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 비정질 경계 조건 하에서 드롭렛의 평형화 시간은 드롭렛 크기가 증가함에 따라 증가하며, 드롭렛 크기가 점에서 집합으로의 상관 길이를 초과할 경우 균질한 값으로 포화된다.
• 점에서 집합으로의 상관 길이는 시스템 내에서 협동적으로 재배열되는 영역의 크기로 실질적으로 식별된다.
• 관측된 스케일링 행동은 비정질 상태 간의 표면 장력 변동을 고려할 경우에만 무작위 제1차 이론과 일치한다.
• 결과는 유리형 액체에서 협동적으로 재배열되는 영역의 존재성과 유한한 크기를 강력한 수치적 증거로 제시한다.