2022 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・ガラスの構造緩和を低エネルギー励起から理解する試みについて、二つの大きな成果をあげることができた。(1)分子性ガラスにおいては、Johari-Goldstein (JG) beta緩和と呼ばれる緩和過程が存在することが知られている。我々は、レプリカ交換法を用いた大規模シミュレーションにより、JG beta緩和の研究を行い、この緩和の背後には二段階のエネルギー地形の階層構造が存在すること、そして階層内で低エネルギー励起が相関を持っていることを見出した。これはJG beta緩和の基本的な描像を明らかにする成果と言える。(2)過冷却液体のゼロ温度へのクエンチ動力学に注目することで、構造緩和を起こす粒子運動を詳しく解析したところ、過冷却液体における欠陥の濃度が構造緩和過程を決定づけていることを見出した。さらにこの欠陥濃度の温度依存性を明らかにした。
物理ゲル：本年度は、非平衡物理ゲル（気液相分離過程が凍結されて形成させるゲル）について、音波輸送特性に着目して研究を行なった。特に、前年度までに得られたゲルの構造、弾性、分子振動の理解に基づき、音波輸送特性を理解・記述することに成功した。また、音波輸送特性は、これまでに散乱実験で調べられており、本研究は実験結果と整合するものであり、かつ実験結果を理論的に説明するものとなった。
粉体：粉体などマクロな粒子系に特徴的な散逸力として、接線力（摩擦力）と粘性力が挙げられる。これら接線力と粘性力が粉体の剛性率など力学的な物性にどう影響するかに着目して研究を行った。特に、接線力がある場合のダイナミカル・マトリックスの解析から剛性率を求め、分子動力学法による直接計算と比較して完全に一致することを確かめたのが主な成果である。これはせん断変形下で降伏した状態でも同じであり、今後、状態密度も含め詳しい解析に取り組む予定である。
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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：本年度は、分子性ガラスのJG beta緩和、および構造ガラスのクエンチ動力学について、その低エネルギー励起を軸とした解析を行い、大きな成果をあげることができた。良質の論文も出版できている。研究の進捗は良好と考える。
物理ゲル：これまでの研究において、非平衡物理ゲルについて構造、弾性、分子振動、音波輸送特性までの理解を得て、成果を論文として出版できた。同じ不規則な固体であっても、ゲルはガラスとは大きく異なる物性を示すことを明らかにしており、有意義かつ非自明な成果を出すことに成功している。研究の進捗は良好と考える。
粉体：粒子間に接線力が働く場合の力学的な線形応答に関して進捗が得られた。まず、擬二次元的に配置した球形粒子を考え、粒子間に接線方向の弾性力を導入する。クーロン摩擦など塑性的な変形は考慮せず、各粒子の回転自由度を加えたダイナミカル・マトリックスを計算し、微小なせん断変形に対する剛性率を求めた。求めた剛性率は分子動力学法の結果とほぼ100%一致し、数値データのインプットが必要ではあるものの、粒子系の剛性率を正しく予測することに成功している。
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| Strategy for Future Research Activity |
構造ガラス：本プロジェクトで、過冷却液体の構造緩和・動的不均一性、塑性流動、分子性液体のJG beta緩和、過冷却液体のクエンチ動力学について、低エネルギー励起を軸とした解析を推進し、成果をあげてきている。本年度は、これらのテーマが深く関連する現象であるエイジングについて、その粒子運動を詳しく調べる。さらに塑性流動については、平均場極限との関係を深く理解するためにガウスコア模型に注目した解析を行う。
物理ゲル：これまでに、非平衡物理ゲルの固体物性の理解を確立してきた。特に、構造ガラスに普遍的に観測されるボゾンピーク（余剰振動状態密度）や局在化振動モードが物理ゲルでは存在しないことを明らかにし、低エネルギー励起の観点から構造ガラスと物理ゲルの違いを暴くことができた。今後は、もう一つの重要な物理ゲルである平衡物理ゲル（相分離過程を経ないで形成されるゲル）について固体物性を研究していき、構造ガラスとの違い、あるいは非平衡物理ゲルとの違いを明らかにしていく。
粉体：粒子間の接線力が生み出す擬フロッピーモードに注目し、状態密度の解析から剛性率の理論的な予測を行う。擬フロッピーモードはジャミング転移点以下のフロッピーモードに起因しており、対応する状態密度の位置と大きさは接線力の強さとジャミング転移点までの距離でスケールさると考えられる。これら理論的な予測を数値計算で確かめ、接線力がジャミング転移点近傍における剛性率の臨界スケーリングをどう決定するか明らかにする。
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