[论文解读] Microscopic origin of excess wings in relaxation spectra of deeply supercooled liquids

Benjamin Guiselin, Camille Scalliet+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2021

Material Dynamics and Properties参考文献 12被引用 5

一句话总结

本研究揭示，深过冷液体的松弛谱中出现的过剩峰翼源于稀有、局域的区域在整体松弛之前便经历了超快松弛，其驱动力为异质的活化动力学与动态促进机制。通过采用增强型交换蒙特卡罗分子动力学方法，作者在模拟中发现了与实验相符的幂律衰减，确立了这两种机制为观察到的非指数松弛行为的最小物理要素。

ABSTRACT

We combine the giant equilibration speedup provided by the swap Monte Carlo algorithm to extensive multi-CPU molecular dynamics simulations to explore the first ten decades of the equilibrium dynamics of supercooled liquids near the experimental glass transition. We demonstrate in particular the emergence of a power law in relaxation spectra, in quantitative agreement with the wings observed experimentally. Detailed analysis of particle motion shows that this power law directly originates from broadly distributed processes experienced by rare, localised regions relaxing much before the bulk. We explain why these wings appear in excess by constructing an empirical model associating heterogeneous activated dynamics and dynamic facilitation, which appear to be the two minimal physical ingredients revealed by our simulations.

研究动机与目标

• 解析深过冷液体介电与动态松弛谱中过剩峰翼的微观起源。
• 理解为何这些谱峰翼相对于标准模型出现过剩。
• 识别导致过冷系统中非指数松弛行为的最小物理机制。
• 弥合微观粒子动力学与玻璃化转变附近宏观松弛行为之间的鸿沟。

提出的方法

• 采用交换蒙特卡罗算法，实现分子动力学模拟中巨大的平衡化加速。
• 开展广泛的多CPU模拟，以覆盖前十个数量级的平衡动力学。
• 分析粒子运动与松弛过程，识别空间异质的动力学行为。
• 构建一个结合异质活化动力学与动态促进的唯象模型，以解释谱特征。
• 将模拟的松弛谱与实验数据对比，验证幂律行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些微观过程导致了深过冷液体松弛谱中观察到的过剩峰翼？
• RQ2 为何这些峰翼相对于传统松弛模型出现过剩？
• RQ3 哪些物理机制足以再现实验观测到的松弛谱中幂律衰减？
• RQ4 稀有、局域区域如何对过冷系统整体的松弛动力学产生贡献？

主要发现

• 模拟中出现的幂律衰减与实验观测到的过剩峰翼定量吻合。
• 幂律行为源于稀有、局域区域，其松弛显著早于整体，表现出高度非均匀的动力学。
• 异质活化动力学与动态促进被识别为解释观测谱特征的两个最小物理要素。
• 模拟结果表明，这些局域区域是玻璃化转变附近非指数松弛行为的主要原因。