ガラスにおける局在振動モードの非調和性

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K14670
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 水野 英如 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (00776875)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: ガラス / アモルファス / 非調和性 / 分子の再配置 / 音波伝搬特性

研究実績の概要

前年度は、ガラスの振動モードがフォノン様モードであれ、局在化振動モードであれ、粒子の配置換えを伴う非調和性を有することを示した。当年度は、ガラスに熱を与えたときに、このような非調和性がどのように出現するかを明らかにした。
有限温度のガラス固体の分子動力学シミュレーションを実施し、分子の熱振動運動を詳細に解析した。その結果、ガラス転移温度よりもオーダー低い温度においても、分子は再配置運動を行いながら振動することが明らかになった。すなわち、熱によって振動モードが励起されて、励起された振動モードによって分子の再配置が次々と誘発されることが分かった。本研究の結果から、ガラスの分子振動が、結晶のものとは決定的に異なることが確立された。すなわち、結晶の分子は一つの配置のまわりを振動するのに対して、ガラスの分子は配置を時々刻々と変えながら、その変化していく配置のまわりを振動することが確立された。
さらに、このようなガラス特有の非調和性が、ガラスの音波伝搬物性にどのような影響を与えるかを調べた。その結果、音波伝搬物性に対して特異な温度依存性を生み出すことが分かり、ガラス特有の熱伝導率の起源となることが分かった。
過去に実施された数多くのガラスの熱測定や中性子・光散乱実験の結果から、ガラスには結晶には無い特異な分子振動励起があることが示唆されてきたが、本研究によってその振動励起の正体を突き止めることができ、したがってガラス固体の理解を大きく発展させることができたと考える。

研究成果

• [国際共同研究] University of Grenoble Alpes(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: University of Grenoble Alpes
• [国際共同研究] Central New Mexico Community College(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Central New Mexico Community College
• [国際共同研究] Shanghai Jiao Tong University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Shanghai Jiao Tong University
• [雑誌論文] Spatial structure of unstable normal modes in a glass-forming liquid (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimada Masanari、Coslovich Daniele、Mizuno Hideyuki、Ikeda Atsushi
  • 雑誌名: SciPost Physics 巻: 10 ページ: 1~24
  • DOI: 10.21468/SciPostPhys.10.1.001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Novel elastic instability of amorphous solids in finite spatial dimensions (2021)
  • 著者名/発表者名: Shimada Masanari、Mizuno Hideyuki、Ikeda Atsushi
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: 17 ページ: 346～364
  • DOI: 10.1039/D0SM01583K
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sound damping in soft particle packings: the interplay between configurational disorder and inelasticity (2021)
  • 著者名/発表者名: Saitoh Kuniyasu、Mizuno Hideyuki
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: 17 ページ: 4204～4212
  • DOI: 10.1039/D0SM02018D
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phase transition in the binary mixture of jammed particles with large size dispersity (2021)
  • 著者名/発表者名: Hara Yusuke、Mizuno Hideyuki、Ikeda Atsushi
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 3 ページ: 023091-1~10
  • DOI: 10.1103/PhysRevResearch.3.023091
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sound damping in glasses: Interplay between anharmonicities and elastic heterogeneities (2020)
  • 著者名/発表者名: Mizuno Hideyuki、Ruocco Giancarlo、Mossa Stefano
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 101 ページ: 174206-1~6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.101.174206
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Low-frequency vibrations of jammed packings in large spatial dimensions (2020)
  • 著者名/発表者名: Shimada Masanari、Mizuno Hideyuki、Berthier Ludovic、Ikeda Atsushi
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 101 ページ: 052906-1~8
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.101.052906
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanical and Vibrational Properties of Three-Dimensional Dimer Packings Near the Jamming Transition (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi Kumpei、Mizuno Hideyuki、Ikeda Atsushi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 89 ページ: 074603～074603
  • DOI: 10.7566/JPSJ.89.074603
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vibrational spectrum derived from local mechanical response in disordered solids (2020)
  • 著者名/発表者名: Shimada Masanari、Mizuno Hideyuki、Ikeda Atsushi
  • 雑誌名: Soft Matter 巻: 16 ページ: 7279～7288
  • DOI: 10.1039/D0SM00376J
  • 査読あり
• [雑誌論文] Detection of boson peak and fractal dynamics of disordered systems using terahertz spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Mori Tatsuya、Jiang Yue、Fujii Yasuhiro、Kitani Suguru、Mizuno Hideyuki、Koreeda Akitoshi、Motoji Leona、Tokoro Hiroko、Shiraki Kentaro、Yamamoto Yohei、Kojima Seiji
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 102 ページ: 022502-1~12
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.102.022502
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intermittent rearrangements accompanying thermal fluctuations distinguish glasses from crystals (2020)
  • 著者名/発表者名: Mizuno Hideyuki、Tong Hua、Ikeda Atsushi、Mossa Stefano
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 153 ページ: 154501～154501
  • DOI: 10.1063/5.0021228
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structural and mechanical characteristics of sphere packings near the jamming transition: From fully amorphous to quasiordered structures (2020)
  • 著者名/発表者名: Mizuno Hideyuki、Saitoh Kuniyasu、Silbert Leonardo E.
  • 雑誌名: Physical Review Materials 巻: 4 ページ: 115602-1~8
  • DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.4.115602
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ガラスの限界安定性：熱を与えたときの再配置現象 (2021)
  • 著者名/発表者名: 水野英如
  • 学会等名: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）
• [学会発表] ガラスの限界安定性：熱を与えたときの再配置現象 (2021)
  • 著者名/発表者名: 水野英如
  • 学会等名: 東京大学物性研究所短期研究会 ガラスおよび関連する複雑系の最先端研究
  • 招待講演