[论文解读] Mixing Effects in the Crystallization of Supercooled Quantum Binary Liquids

M. Bissinger, J. M. Fernández+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2015

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 37被引用 3

一句话总结

本研究利用液态微射流的拉曼光谱与路径积分蒙特卡洛（PIMC）模拟，研究了超冷量子二元液体混合物（对氢气，pH2，或正氘，oD2）中掺杂氖（Ne）杂质的结晶动力学与结构演化。结果表明，Ne杂质显著抑制晶体生长速率，并通过形成富Ne结晶簇促进成核，且生长动力学与由有效粒子尺寸比量化表征的量子离域效应密切相关。

ABSTRACT

By means of Raman spectroscopy of liquid microjets we have investigated the crystallization process of supercooled quantum liquid mixtures composed of parahydrogen (pH$_2$) diluted with small amounts of up to 5\% of either neon or orthodeuterium (oD$_2$), and of oD$_2$ diluted with either Ne or pH$_2$. We show that the introduction of Ne impurities affects the crystallization kinetics in both the pH$_2$-Ne and oD$_2$-Ne mixtures in terms of a significant reduction of the crystal growth rate, similarly to what found in our previous work on supercooled pH$_2$-oD$_2$ liquid mixtures [M. K\"uhnel et {\it al.}, Phys. Rev. B extbf{89}, 180506(R) (2014)]. Our experimental results, in combination with path-integral simulations of the supercooled liquid mixtures, suggest in particular a correlation between the measured growth rates and the ratio of the effective particle sizes originating from quantum delocalization effects. We further show that the crystalline structure of the mixture is also affected to a large extent by the presence of the Ne impurities, which likely initiate the freezing process through the formation of Ne crystallites.

研究动机与目标

• 理解Ne杂质如何影响超冷量子二元液体中的结晶动力学。
• 研究粒子尺寸差异与量子离域效应对晶体生长速率的影响。
• 确定Ne杂质是否在pH2和oD2混合物中诱导结构变化或改变成核路径。
• 将实验测得的生长速率与由量子离域效应推导出的有效粒子尺寸比相关联。

提出的方法

• 采用液态微射流技术结合拉曼光谱，对超冷混合物中的结晶过程实现亚微秒时间分辨探测。
• 利用Lennard-Jones和Silvera-Goldman势能模型，开展路径积分蒙特卡洛（PIMC）模拟，研究分子间相互作用。
• 采用环聚合物表示法模拟量子效应，其中pH2-Ne与oD2-Ne体系分别采用54和41个粒子点。
• 应用局部键序（LBO）参数及粗粒化不变量Q4、Q6和w6，识别局部有序性与晶体对称性。
• 采用Delaunay三角剖分定义最近邻关系，提升在量子系统中LBO分析的稳定性。
• 通过非立方盒子与无序初始构型防止模拟中发生结晶，其有效性通过p(Q4, Q6)分布得到验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ne杂质如何改变超冷pH2和oD2混合物中的晶体生长速率？
• RQ2 量子离域效应（以有效粒子尺寸比反映）在多大程度上与观测到的结晶动力学相关？
• RQ3 Ne的存在是否诱导优先成核或改变混合物的晶体结构？
• RQ4 PIMC模拟能否准确捕捉这些量子二元混合物在超冷条件下的结构与动力学行为？

主要发现

• Ne杂质在pH2-Ne与oD2-Ne混合物中均降低晶体生长速率，与先前在pH2-oD2体系中的发现一致。
• 测得的晶体生长速率与由量子离域效应产生的有效粒子尺寸比密切相关，较重的Ne原子表现出显著减弱的离域效应。
• Ne杂质通过形成富Ne结晶簇促进成核，这些结晶簇作为主相生长的成核种子。
• PIMC模拟证实，在模拟的亚稳态超冷状态下未发生宏观结晶，验证了p(Q4, Q6)分布作为局部有序性指标的有效性。
• Q6与Q4不变量能有效区分液态、bcc、hcp及fcc类局部环境，w6则指示出趋向二十面体类结构的倾向。
• 实验与模拟结果支持一种机制：粒子尺寸差异与量子离域效应共同主导了量子二元混合物中的结晶动力学。