[论文解读] Ferro-electric phase transition in a polar liquid and the nature of \lambda-transition in supercooled water

П. О. Федичев, L. I. Men’shikov|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2008

Material Dynamics and Properties参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文提出，在极性液体中，由长程偶极子相互作用驱动的铁电相变，在临界温度 T_c 处引发二级相变，解释了过冷水中的异常现象，如介电常数奇点和反常密度行为。通过平均场和环图近似方法，确定了 T_c，并将这些现象与集体偶极子有序关联起来，为观测到的异常现象提供了微观基础。

ABSTRACT

We develop a series of approximations to calculate free energy of a polar liquid. We show that long range nature of dipole interactions between the molecules leads to para-electric state instability at low temperatures and to a second-order phase transition. We establish the transition temperature, T_{c}, both within mean field and ring diagrams approximation and show that the ferro-electric transition may play an important role explaining a number of peculiar properties of supercooled water, such as weak singularity of dielectric constant as well as to a large extent anomalous density behavior. Finally we discuss the role of fluctuations, shorter range forces and establish connections with phenomenological models of polar liquids.

研究动机与目标

• 研究长程偶极子-偶极子相互作用在极性液体中诱导二级相变的作用。
• 使用平均场和环图近似方法计算铁电相变的临界温度 T_c。
• 将铁电相变与过冷水的异常行为（如介电常数的弱奇点和密度异常）联系起来。
• 研究涨落和短程力对相变的影响及其对现象学模型的启示。

提出的方法

• 构建一个包含长程偶极子-偶极子相互作用的极性液体自由能泛函。
• 应用平均场近似，确定顺电相到铁电相转变的临界温度 T_c。
• 引入环图以考虑平均场之外的涨落效应。
• 分析介电和密度响应函数，将相变与过冷水中可观测异常现象关联起来。
• 与极性液体的现象学模型进行比较，以验证微观机制的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于长程偶极子相互作用，极性液体中铁电相变的临界温度 T_c 是多少？
• RQ2 涨落和环图如何修正平均场对 T_c 的预测？
• RQ3 铁电相变在多大程度上可以解释过冷水介电常数中弱奇点的现象？
• RQ4 集体偶极子有序如何影响过冷水中的反常密度行为？
• RQ5 短程力在多大程度上改变预测的相变行为及其可观测后果？

主要发现

• 偶极子-偶极子相互作用的长程特性导致低温下顺电态的不稳定性，从而触发二级相变。
• 通过平均场和环图近似方法计算出临界温度 T_c，为相变点提供了定量估计。
• 铁电相变机制可解释过冷水介电常数中弱奇点现象，其本质是偶极子有序的集体响应。
• 过冷水中的反常密度行为在很大程度上可由同一偶极子驱动的相变机制加以解释。
• 涨落和短程力被证明会改变相变行为，但核心机制依然稳健，并与现象学观测保持一致。