2021 Fiscal Year Annual Research Report
低エネルギー励起からガラス系を理解する：構造ガラス、物理ゲル、粉体
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20H01868
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
池田 昌司 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (00731556)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水野 英如 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (00776875)
齊藤 国靖 京都産業大学, 理学部, 准教授 (10775753)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 構造ガラス / 物理ゲル / 粉体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
構造ガラス：過冷却液体の動力学を低エネルギー励起から理解するために、二つの研究を推進した。（１）サドル配置の振動モードを用いて過冷却液体の動力学を記述するSingle saddle modelの研究を行い、模型の動的不均一性を解析することに成功した。その結果、モード結合理論と同様のbeta緩和を記述することを見出した。（２）シア下のガラスの塑性変形について、瞬間的な配置の振動解析を行うことにより、ガラス系で良く知られた構成方程式であるHerschel-Bulkley則を微視的に説明することに成功した。具体的には、瞬間的な配置の負のモードの個数が塑性変形の個数と直結していることを見出した。
物理ゲル：本年度は物理ゲルの中でも非平衡ゲルについて、構造、弾性、分子振動を調べ上げた。（１）レナード・ジョーンズ粒子系を低密度のまま温度ゼロ極限へとクエンチすることで、気液相分離過程が凍結した非平衡ゲルを生成した。（２）得られたゲルの構造解析を行い、フラクタル構造が発達していることを明らかにし、そのフラクタル次元、特徴的長さを求めた。（３）さらに、弾性、振動解析を行い、ゲルの柔らかい弾性、発達した低エネルギー励起を構造に基づき理解・整理することに成功した。
粉体：粉体などマクロな粒子系に特徴的な粒子間の散逸力が音波物性に与える影響について研究を行い、研究成果を学術雑誌に掲載した。また、定常せん断下におけるストレスの揺らぎがジャミング転移点において発散することを突き止め、スピン系の平均場理論との類似性を調べる研究を行った。さらに、アバランチ現象における粒子の協同運動を調べ、粒子間に働く摩擦力がアバランチの統計則に重要な役割を果たすことを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
構造ガラス：当初の予定通り、Single saddle modelの解析を行い、動的不均一性の予言を引き出すことに成功した。さらに、塑性流動下の粒子系の低エネルギー励起の解析を行い、Herschel-Bulkley則の微視的理解を大きく発展させることに成功した。研究の進捗状況は非常に良好だと評価できる。
物理ゲル：現在までに非平衡ゲルの構造、弾性、分子振動を明らかにすることができ、またゲルがガラスとは本質的に異なる分子振動特性を示すことを暴くことができた。研究の進捗状況は良好である。
粉体：粒子間の散逸力により、アモルファス状の粒子系に特有な音速の振る舞いが一変することや、レイリー散乱が粘弾性的なエネルギー散逸に支配されるなど、これまで保存系で確立された音波物性の理解をより一層深める結果が得られた。また、定常せん断下におけるストレスの揺らぎや、アバランチ現象における粒子の協同運動とアバランチの統計則に関する理解が深まり、粉体など散逸粒子系の低エネルギー励起の解明は着実に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
構造ガラス：これまでの成果により、過冷却液体・ガラスについて、熱揺らぎによる構造緩和と塑性流動について、低エネルギー励起との関係の理解を深めることに成功した。今後は、この方向の検討をさらに突き詰めていく。具体的には、構造緩和を起こす粒子の運動や空間構造をさらに詳しく調べ、ガラス系の多彩な緩和挙動を低エネルギー励起をベースに理解する研究を進める。
物理ゲル：これまでにゲルの構造、弾性、分子振動までを理解できたので、次にゲルの音波輸送特性、塑性変形特性といった固体物性を研究する予定である。特に、これらの固体物性を、ゲルのフラクタル構造や分子振動（固有振動状態）と関連付けながら理解する予定である。
粉体：今後はフロッピーモードに注目した振動状態の解析を行う。フロッピーモードとはジャミング転移点以下の低密度なハイポスタティック状態に見られるモードで、エネルギー変化を伴わないのが特徴である。本研究ではこの様な状態に外場を導入してエネルギー変化を生み出し、ジャミング系であまり調べられてこなかった系における振動状態を解明する。例えば、硬さの異なる二種粒子の混合系や摩擦を伴う粉体モデルなどを調べる予定である。
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