[论文解读] Transverse excitations and zigzag transition in quasi-1D hard-disk system

A. Huerta, Taras Bryk+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2019

Material Dynamics and Properties参考文献 20被引用 3

一句话总结

本研究调查了在窄通道中受限的准一维（q1D）硬盘系统中的横向激发以及之字形相变。通过分子动力学模拟，发现横向光学激发是之字形相变的特征，其由与第一、第二近邻的排除体积相互作用引起的熵性限制驱动，在密度ρ = 1.1111时观察到结构前兆，表现为径向分布函数第一峰上的肩峰。

ABSTRACT

Molecular dynamics computer simulations of collective excitations in a system of hard disks confined to a narrow channel of the specific width, that resembles 2D triangular lattice at disk close packing, are performed. We found that transverse excitations, which for hard-disk system are absent in the limit of 1D and are of acoustic nature in the limit of 2D, in the case of q1D hard-disk system emerge in the form of transverse optical excitations and could be considered as a tool to detect the structural transition to a zigzag ordering. By analyzing density evolution of longitudinal static structure factor and pair distribution function we have shown that driving force of zigzag ordering is caging phenomenon that in the case of hard-disk system is governed by excluded volume interaction with first and second neighbors and is of entropic origin.

研究动机与目标

• 研究在平行壁之间受限的准一维硬盘系统中的集体横向激发。
• 确定之字形结构相变在q1D硬盘系统中的起源及其作用。
• 识别对之字形有序起始敏感的微观特征，尤其在1D中缺乏传统横向模式的情况下。
• 分析由排除体积相互作用驱动的限制效应如何调控位置有序的转变。
• 建立限制、横向激发色散关系与准长程有序出现之间的联系。

提出的方法

• 在H/σ = 1.5的通道中，对N = 200和N = 400个硬盘采用事件驱动分子动力学（MD）模拟，在正则系综NVT中进行。
• 在x方向应用周期性边界条件，在y方向施加硬壁限制，当r < σ且y < σ/2或y > H - σ/2时，施加无限排斥力。
• 计算纵向静态结构因子S(kx)以及沿x方向的径向分布函数g(x)，以探测位置关联性。
• 分析横向激发的色散关系ωT(k)，以识别横向光学模式的出现。
• 利用g(x)中第一和第二峰值的位置检测限制效应及之字形有序的结构前兆。
• 评估位置关联性的衰减行为（指数衰减与幂律衰减），以识别准长程有序的起始。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1D极限下横向集体激发本不存在的准1D硬盘系统中，这些激发如何出现？
• RQ2 由于与第一和第二近邻的排除体积相互作用而产生的限制在驱动之字形结构相变中起什么作用？
• RQ3 横向激发能否作为q1D硬盘系统中之字形相变的可探测特征？
• RQ4 在高密度下位置有序的性质是什么？系统在何种密度下从流体行为转变为固态行为？
• RQ5 g(x)第一峰上的肩峰与之字形有序起始有何关联？是否可视为结构前兆？

主要发现

• 在q1D硬盘系统中，横向激发表现为横向光学模式，早在低密度（ρ = 0.5）时即已出现，这是由于盘体与通道壁的反射所致。
• 之字形相变在ρ = 1.1111时被检测到，此时g(x)的第一和第二峰值分别位于x = 0.880 ± 0.005和1.780 ± 0.005，接近理想之字形结构的理论值√3/2 ≈ 0.866和√3 ≈ 1.732。
• 在ρ > 1时，g(x)第一峰上的肩峰作为之字形有序的结构前兆，类似于2D和3D硬核系统中的前兆行为。
• 由与第一和第二近邻的排除体积相互作用引起的限制是熵驱动的，在ρ ≥ 1.1111时变得显著。
• 在ρ = 1.1111时，位置关联性呈幂律衰减（∼x⁻²ᐟ³），表明存在准长程有序；而较低密度下则表现为指数衰减。
• 在ρ ≥ 1.1111时，横向激发的色散关系分裂为两支，表明之字形有序的起始。