[论文解读] The Ideal Glass and the Ideal Disk Packing in Two Dimensions

Viola Bolton-Lum, Robert Dennis+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2024

Material Dynamics and Properties被引用 5

一句话总结

作者构建了具有零配置熵的多分散软圆盘的二维理想拥挤包装，展示了三角化、超均匀、力学超稳定、以及高熔化特性，并提供一种实现二维理想玻璃的非平衡路径。

ABSTRACT

The ideal glass, a disordered system of particles with zero configurational entropy, cannot be realized through thermal processes. Nevertheless, we present a method for constructing ideal jammed packings of soft spheres, and thus the zero temperature ideal glass, in two dimensions. In line with the predicted properties, these critically jammed packings have high bulk and shear moduli as well as an anomalously high density. While the absence of pressure scaling in the shear moduli of crystalline materials is often attributed to the ordered nature of the particles, we show for the first time that disordered ideal packings also have this feature. We also find that the density of states avoids the low frequency power law scaling famously found in most amorphous materials, these configurations display hyperuniformity, and they melt at unusually high temperatures as compared to conventional packings. In addition to resolving a long-standing mystery, this methodology represents a valuable shortcut in the generation of well-equilibrated glassy systems. The creation of such an ideal packing makes possible a complete exploration and explanation of two dimensional jammed and glassy systems.

研究动机与目标

• 定义并实现具有零配置熵的二维理想拥挤包装。
• 展示三角化接触网络并且不存在长程有序。
• 表征力学稳定性、振动谱和超均匀性。
• 量化熔化温度并与常规定包比较。
• 提供在二维系统中生成良好平衡玻璃态的实际方法。

提出的方法

• 通过圆盘半径自由度的配置实现平均配位数为6的三角化包装构造。
• 使用FIRE算法在半径矩约束下最小化能量，以避免简单全局极小值。
• 使用CirclePack将其转换为完全三角化、严格拥挤的包装，且具有正交平行边界。
• 通过位置最小化在相同半径分布下将三角化包装与传统拥挤包装进行比较。
• 计算体积模量K、剪切模量G、振动态密度D(ω)、定向/平移有序性指标以及结构因子S(k)。
• 通过对α-弛豫时间的蒙特卡洛动力学的修正VFT拟合，来测量熔化温度Tm。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否非热地构造一个零配置熵的二维理想拥挤包装？
• RQ2 三角化的无定形包装是否表现出与晶体相似的超均匀性和超稳定性？
• RQ3 这样的理想包装相对于经典拥挤包装和晶格的弹性、振动和热学性质是什么？
• RQ4 是否可能在二维实现高密度、严格拥挤且无长程有序的无序系统？
• RQ5 相对于Kauzmann考量，这些理想包装的熔化温度是多少？

主要发现

• 三角化包装在φ≈0.910达到拥挤，与可比分布的φ_hex≈0.9069和φJ≈0.849相比更高。
• 三角化包装在压力趋近0时仍具非零体模和剪切模，显示严格拥挤，而非传统拥挤包装。
• 定向相关C6衰减，平移有序参数τ显示无长期平移序，指示无定形结构。
• 静态结构因子S(k)在小k时趋近接近零，指示超均匀性。
• 振动态密度在低频没有Debye型幂律，与许多无定形固体相比更像晶体谱。
• 三角化包装显示熔化温度Tm≈0.0019(2)，明显高于常规包装，表明类似于理想玻璃的超稳定性。