[논문 리뷰] Mixing Effects in the Crystallization of Supercooled Quantum Binary Liquids

M. Bissinger, J. M. Fernández외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 28.

Quantum, superfluid, helium dynamics참고 문헌 37인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 라만 스펙트로스코피 및 경로-적분 몬테카를로(PIMC) 시뮬레이션을 이용해 초냉각 상태의 양자 이원성 액체 혼합물인 페라수소(pH2) 또는 올리오데테륨(oD2)에 네온(Ne) 불순물이 첨가된 시스템에서의 결정화 동역학과 구조적 진화를 조사한다. 연구 결과, Ne 불순물이 결정 성장 속도를 크게 저하시키고 Ne가 풍부한 결정립을 형성함으로써 핵형성 작용을 촉진하며, 이 성장 동역학은 효과적 입자 크기 비율로 정량화된 양자 분산 효과와 강하게 상관됨을 밝혀냈다.

ABSTRACT

By means of Raman spectroscopy of liquid microjets we have investigated the crystallization process of supercooled quantum liquid mixtures composed of parahydrogen (pH$_2$) diluted with small amounts of up to 5\% of either neon or orthodeuterium (oD$_2$), and of oD$_2$ diluted with either Ne or pH$_2$. We show that the introduction of Ne impurities affects the crystallization kinetics in both the pH$_2$-Ne and oD$_2$-Ne mixtures in terms of a significant reduction of the crystal growth rate, similarly to what found in our previous work on supercooled pH$_2$-oD$_2$ liquid mixtures [M. K\"uhnel et {\it al.}, Phys. Rev. B extbf{89}, 180506(R) (2014)]. Our experimental results, in combination with path-integral simulations of the supercooled liquid mixtures, suggest in particular a correlation between the measured growth rates and the ratio of the effective particle sizes originating from quantum delocalization effects. We further show that the crystalline structure of the mixture is also affected to a large extent by the presence of the Ne impurities, which likely initiate the freezing process through the formation of Ne crystallites.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 상태의 양자 이원성 액체에서 Ne 불순물이 결정화 동역학에 미치는 영향을 이해하기 위해
• 입자 크기의 격차와 양자 분산 효과가 결정 성장 속도에 미치는 역할을 조사하기 위해
• Ne 불순물이 pH2 및 oD2 혼합물에서 구조적 변화 또는 핵형성 경로를 유도하는지 확인하기 위해
• 실험적으로 측정한 성장 속도를 양자 분산 효과로부터 유도된 효과적 입자 크기 비율과 연관지기 위해

제안 방법

• 초냉각 혼합물에서의 결정화를 나노초 이하의 시간 해상도로 측정하기 위해 액체 마이크로젯 기술과 라만 스펙트로스코피를 활용하였다.
• 분자 간 상호작용을 위해 레너드존 및 실버라-골드먼 잠재에너지 함수를 사용한 경로-적분 몬테카를로(PIMC) 시뮬레이션을 수행하였다.
• 양자 효과를 모의하기 위해 고리-폴리머 표현을 사용하였으며, pH2-Ne 및 oD2-Ne 시스템에 각각 54개와 41개의 비드를 사용하였다.
• 국소적 질서와 결정 대칭성을 식별하기 위해 국소 결합 순서(LBO) 매개변수와 군집화된 관측치 Q4, Q6, w6를 사용하였다.
• 근접 이웃을 정의하고 양자 시스템에서 LBO 분석의 안정성을 향상시키기 위해 델로아뉴 삼각분할을 적용하였다.
• 비입방형 상자와 무질서한 初기 구성을 사용하여 시뮬레이션에서의 결정화를 방지하였으며, p(Q4, Q6) 분포를 통해 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ne 불순물은 초냉각 상태의 pH2 및 oD2 혼합물에서 결정 성장 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 효과적 입자 크기 비율로 표현된 양자 분산 효과가 관측된 결정화 동역학과 얼마나 강하게 상관되는가?
• RQ3 Ne 존재 시, 선호적 핵형성 또는 혼합물의 결정 구조가 변화하는가?
• RQ4 PIMC 시뮬레이션은 이러한 초냉각 상태의 양자 이원성 혼합물의 구조적 및 동적 거동을 정확하게 캡처할 수 있는가?

주요 결과

• Ne 불순물은 pH2-Ne 및 oD2-Ne 혼합물 모두에서 결정 성장 속도를 감소시키며, 이는 이전의 pH2-oD2 시스템 연구 결과와 일치한다.
• 측정된 결정 성장 속도는 양자 분산 효과로부터 유도된 효과적 입자 크기 비율과 강하게 상관되며, 더 무거운 Ne 원자가 현저히 낮은 분산 정도를 보임을 확인하였다.
• Ne 불순물은 주상태의 성장에 씨앗이 되는 Ne가 풍부한 결정립의 형성으로 인해 핵형성을 촉진한다.
• PIMC 시뮬레이션은 시뮬레이션된 준안정 상태에서의 대체로 결정화가 발생하지 않음을 확인하였으며, p(Q4, Q6) 분포가 국소적 질서의 지표로 유효함을 검증하였다.
• Q6 및 Q4 관측치는 액체 상태, 체심입방격자(bcc), 허브립형격자(hcp), 체심입방격자(fcc) 유사 국소 환경을 효과적으로 구분하였으며, w6는 이코사헤드랄 유사 구조 경향을 나타내었다.
• 실험적 결과와 시뮬레이션 결과는 입자 크기의 격차와 양자 분산 효과가 양자 이원성 혼합물에서의 결정화 동역학을 지배하는 메커니즘을 뒷받침한다.