[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出了一种理论，通过局域键交换激发产生弹性应力，解释过冷液体中的动力学促进现象，从而在低温下引发集体促进效应。结合线性弹性理论与马尔可夫过程，该模型通过声子与激发贡献的叠加，再现了玻璃态动力学的关键特征—— stretched exponential relaxation（ stretched exponential 衰减）、super-Arrhenius（超阿伦尼乌斯）的松弛时间尺度、亚扩散的均方位移，以及弹道-亚扩散-扩散的过渡行为。

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.

研究动机与目标

• 理解过冷液体中动力学促进的微观起源，这是玻璃态松弛背后的关键机制。
• 解释松弛时间尺度随温度降低而呈现超阿伦尼乌斯增长的机制。
• 再现实验和模拟中观察到的特征，如 stretched exponential 衰减以及二维系统中的有限尺寸效应。
• 推导声子与激发对扩散和松弛的协同作用机制。
• 解释均方位移中从弹道运动到亚扩散再到扩散行为的过渡现象。

提出的方法

• 将局域键交换事件（激发）建模为晶格中弹性应力的来源。
• 使用线性弹性理论描述激发之间的长程弹性相互作用。
• 将动力学过程形式化为马尔可夫过程，以模拟激发的随机生成与传播。
• 结合声子介导的扩散与激发介导的松弛，以模拟两步松弛过程。
• 在二维系统中进行模拟，以捕捉松弛动力学中的有限尺寸效应。
• 推导跨越时间尺度的均方位移（MSD）行为，包括亚扩散区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 过冷液体中的局域激发如何通过弹性相互作用引发涌现的促进效应？
• RQ2 过冷液体中松弛时间尺度的超阿伦尼乌斯温度依赖性的起源是什么？
• RQ3 声子与激发贡献如何共同产生实验中观察到的两步松弛行为？
• RQ4 为何均方位移在过冷液体中表现出弹道-亚扩散-扩散的过渡行为？
• RQ5 二维系统中的有限尺寸效应如何影响松弛动力学与松弛时间尺度？

主要发现

• 模型再现了中间散射函数的 stretched exponential 衰减，与实验观测一致。
• 松弛时间尺度随温度降低呈现超阿伦尼乌斯增长，与实验趋势相符。
• 均方位移在短至中等时间尺度表现出亚扩散行为，随后过渡至扩散运动。
• 二维系统中的有限尺寸效应被定量捕捉，与模拟和实验数据一致。
• 声子与激发对扩散和松弛的贡献共同导致了特征性的两步松弛过程。
• 激发之间的弹性相互作用导致促进效应，即在低温下新激发更可能在已有激发附近形成。