[论文解读] On the nature of the glass transition in atomistic models of glass formers

Alexander Hudson, Kranthi K. Mandadapu|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2018

Material Dynamics and Properties被引用 4

一句话总结

本研究通过恒定冷却速率的模拟，调查了原子级玻璃形成体中的玻璃化转变，检验了东模型（East model）——一种具有层级松弛特性的动力学受限格点模型——的预测。研究发现，结构松弛时间 τ 在冷却速率依赖的 Tg 处发生从超阿伦尼乌斯行为到阿伦尼乌斯行为的转变，且在 Tg 附近，lnτ 与 1/T 的斜率出现峰值；同时，在 Tg 以下的短时间粒子位移中未观察到空间关联，这与东模型的预期相矛盾。

ABSTRACT

We study the nature of the glass transition by cooling model atomistic glass formers at constant rate from a temperature above the onset of glassy dynamics to $T=0$. Motivated by the East model, a kinetically constrained lattice model with hierarchical relaxation, we make several predictions about the behavior of the supercooled liquid as it passes through the glass transition. We then compare those predictions to the results of our atomistic simulations. Consistent with our predictions, our results show that the relaxation time $τ$ of the material undergoes a crossover from super-Arrhenius to Arrhenius behavior at a cooling-rate-dependent glass transition temperature $T_ ext{g}$. The slope of $\lnτ$ with respect to inverse temperature exhibits a peak near $T_ ext{g}$ that grows more pronounced with slower cooling, matching our expectations qualitatively. Additionally, the limiting value of this slope at low temperature shows remarkable quantitative agreement with our predictions. Our results also show that the rate of short-time particle displacements deviates from the equilibrium linear scaling around $T_ ext{g}$, asymptotically approaching a different linear scaling. To our surprise, these short-time displacements, the dynamic indicators of the underlying excitations responsible for structural relaxation, show no spatial correlations beyond a few particle diameters, both above and below $T_ ext{g}$. This final result is contrary to our expectation, based on previous results for East model glasses formed by cooling, that inter-excitation correlations should emerge as the liquid vitrifies.

研究动机与目标

• 通过恒定冷却速率模拟，研究原子级玻璃形成体中玻璃化转变的本质。
• 检验东模型关于松弛时间行为和激发态空间关联性的预测。
• 确定在 Tg 以下，短时间粒子位移是否如动力学受限模型所预期的那样具有空间关联性。
• 评估将粒子位移用作玻璃形成液体中潜在激发态指标的有效性。
• 调和原子级模拟结果与东模型理论框架之间的差异。

提出的方法

• 从高于起始温度 To 的状态开始，以恒定冷却速率对原子级玻璃形成体进行冷却模拟，直至 T=0。
• 使用动态指标函数识别经历非振动性短时位移的粒子，作为激发态的代理。
• 分析松弛时间 τ(T) 及其温度依赖性，特别是 lnτ 与 1/T 的斜率。
• 计算位移粒子的空间关联函数，以检测 Tg 以上和以下的激发态间关联性。
• 将模拟结果与东模型的理论预测进行比较，特别是 lnτ ∝ (1/T - 1/To)² 的抛物型标度关系。
• 通过改变指标函数、距离截断值、观测时间及空间分布函数，进行鲁棒性检验。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子级玻璃形成体的松弛时间 τ 是否如东模型预测的那样，在冷却速率依赖的 Tg 处发生从超阿伦尼乌斯行为到阿伦尼乌斯行为的转变？
• RQ2 lnτ 与倒温度的关系曲线的斜率是否在 Tg 附近出现峰值，且该峰值是否随冷却速率减慢而更加显著？
• RQ3 在 Tg 以下，短时间粒子位移是否如动力学受限模型中层级松弛所预期的那样具有空间关联性？
• RQ4 用于识别粒子位移的动态指标是否真实反映了导致结构松弛的底层激发态？
• RQ5 能否调和观察到的位移粒子间缺乏空间关联性与东模型理论框架之间的矛盾？

主要发现

• 松弛时间 τ 在冷却速率依赖的玻璃化转变温度 Tg 处表现出从超阿伦尼乌斯行为到阿伦尼乌斯行为的清晰转变，与东模型预测一致。
• lnτ 与 1/T 的斜率在 Tg 附近出现显著峰值，且该峰值随冷却速率减慢而更加明显，符合东模型的定性预期。
• 在低温区域，斜率的极限值与东模型的理论预测表现出极佳的定量一致性。
• 在 Tg 处，短时间粒子位移偏离了平衡态下的线性标度关系，并渐近趋近于另一种线性标度关系，表明动力学行为发生了转变。
• 尽管在 Tg 以下处于强非平衡状态，但位移粒子之间在超过几个粒子直径的距离外未发现空间关联，与东模型的预期相矛盾。
• 通过改变指标函数定义、距离截断值和观测时间进行的鲁棒性检验，确认在所有测试条件下均未发现空间关联。