[论文解读] Clustering of topological defects in two-dimensional melting of active and passive disks

Pasquale Digregorio, Demian Levis+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2019

Pickering emulsions and particle stabilization被引用 8

一句话总结

本研究探讨了活性与非活性排斥盘在二维熔化过程中的拓扑缺陷，揭示固相到六角相转变由位错解离驱动，而涡旋缺陷的解离则在液相早期即发生。在固相-六角相转变以下，缺陷簇体占主导地位，并在六角相-液相边界处发生连通，且随着活性增强，其分形程度提高。

ABSTRACT

We provide a quantitative analysis of all kinds of topological defects present in 2D passive and active repulsive disk systems. We show that the passage from the solid to the hexatic is driven by the unbinding of dislocations. Instead, although we see dissociation of disclinations as soon as the liquid phase appears, extended clusters of defects largely dominate below the solid-hexatic critical line. The latter percolate at the hexatic-liquid transition in continuous cases or within the coexistence region in discontinuous ones, and their form gets more ramified for increasing activity.

研究动机与目标

• 理解拓扑缺陷在排斥盘系统二维熔化转变中的作用。
• 区分固相到六角相与六角相到液相转变的驱动机制。
• 研究活性如何影响熔化过程中缺陷簇体的聚集与形态。
• 量化不同相态及转变类型（连续与非连续）下缺陷的行为。

提出的方法

• 使用带有活性力的分子动力学模拟二维非活性与活性排斥盘系统。
• 通过局域键序分析识别并追踪拓扑缺陷（位错与涡旋缺陷）。
• 分析缺陷关联函数与簇体形成，以检测连通阈值。
• 对比连续与非连续情况下，固相-六角相与六角相-液相转变中缺陷行为的差异。
• 利用分形或几何度量量化缺陷簇体的分形程度，其值随活性增加而上升。
• 采用临界线分析方法绘制相边界与缺陷主导区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维排斥盘系统中，是什么机制驱动固相到六角相转变——位错解离还是涡旋缺陷解离？
• RQ2 在固相-六角相转变以下区域，缺陷簇体如何演化？
• RQ3 在六角相-液相转变过程中，缺陷簇体在何时发生连通？
• RQ4 活性增强如何影响缺陷簇体的形态与分形程度？
• RQ5 连续与非连续转变在缺陷簇体形成与连通性方面有何差异？

主要发现

• 固相到六角相转变由位错解离驱动，与Kosterlitz-Thouless机制一致。
• 涡旋缺陷在液相出现的瞬间即发生解离，表明拓扑无序早期即出现。
• 在固相-六角相临界线以下，缺陷的扩展簇体主导系统，表明缺陷具有集体行为特征。
• 在连续系统中，缺陷簇体在六角相-液相转变处发生连通；在非连续系统中，连通发生于共存区域内部。
• 随着活性增强，缺陷簇体的形态变得更加分形，表明结构异质性增强。
• 缺陷聚集与连通是连续与非连续熔化转变中的稳健特征。