[論文レビュー] Emergent Facilitation and Glassy Dynamics in Supercooled Liquids

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

Material Dynamics and Properties被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、局所的な結合交換励起が弾性忆を生成し、低温において集団的な促進を引き起こすという理論を提案する。線形弾性論とマコフ過程を用いて、フォノンと励起の寄与を組み合わせることで、ストレッチド指数的減衰、スーパー・アレニウス的時間スケールの増加、部分的拡散、および球状〜部分的拡散〜拡散的遷移の特徴を再現する。

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.

研究の動機と目的

• 過冷液体における動的促進の微視的起源を理解すること。これはガラス的緩和の中心的メカニズムである。
• 温度低下に伴う緩和時間スケールのスーパー・アレニウス的増加を説明すること。
• 実験的およびシミュレーションで観測された特徴（ストレッチド指数的緩和、2次元系における有限サイズ効果）を再現すること。
• 拡散および緩和におけるフォノンと励起の寄与の相乗的相互作用を導出すること。
• 過冷液体における平均二乗変位における球状〜部分的拡散〜拡散的遷移のメカニズムを説明すること。

提案手法

• 格子内での局所的結合交換イベント（励起）を弾性attyの源としてモデル化する。
• 長距離にわたる励起間の弾性相互作用を記述するため、線形弾性論を用いる。
• 励起の確率的生成と伝播を模擬するため、動的過程をマコフ過程として定式化する。
• フォノン媒介の拡散と励起媒介の緩和を組み合わせ、2段階緩和過程をモデル化する。
• 2次元系でのシミュレーションにより、緩和ダイナミクスにおける有限サイズ効果を捉える。
• 時間スケールにわたる平均二乗変位（MSD）の振る舞い、特に部分的拡散領域を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過冷液体内の局所的励起が、弾性相互作用を通じてどのように出現的促進を引き起こすか？
• RQ2 過冷液体における緩和時間スケールのスーパー・アレニウス的温度依存性の起源は何か？
• RQ3 フォノンと励起の寄与がどのようにして実験で観測される2段階緩和を共同で生じさせるか？
• RQ4 なぜ過冷液体における平均二乗変位が球状〜部分的拡散〜拡散的遷移を示すのか？
• RQ5 2次元系における有限サイズ効果が、緩和ダイナミクスおよび緩和時間スケールにどのように影響を与えるか？

主な発見

• モデルは、実験的観測と整合的な、中間散乱関数のストレッチド指数的減衰を再現した。
• 緩和時間スケールは、温度低下に伴いスーパー・アレニウス的に増加し、実験的傾向と一致した。
• 平均二乗変位は、短〜中間時間スケールで部分的拡散的振る舞いを示し、その後拡散的運動への遷移を示した。
• 2次元系における有限サイズ効果が定量的に捉えられ、シミュレーションおよび実験データと一致した。
• フォノンと励起の寄与が拡散および緩和に寄与し、特徴的な2段階緩和過程を生じさせた。
• 励起間の弾性相互作用により促進が生じ、低温では既存の励起の近くに新たな励起が形成されやすくなる。