Dynamics and non-equilibrium transport in amorphous systems: from a soft-matter physics perspective

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22F22324
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 田中 肇 東京大学, 先端科学技術研究センター, 名誉教授 (60159019)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): XI QING 東京大学, 先端科学技術研究センター, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2022-11-16 – 2025-03-31
• Keywords: 非平衡輸送 / 非晶質固体 / ボソンピーク / 低エネルギー励起

Outline of Annual Research Achievements

非平衡な無秩序状態にあるガラスは、秩序ある平衡状態にある結晶とは異なるユニークな振動特性を示し、熱伝導異常を含む、低温物性の決定的な違いにつながっている。我々は、2次元モデルガラスの大規模分子動力学シミュレーションを用いて、準局在振動（QLV）の性質について研究を行った。その結果、低周波と高周波で相対的に重要な2種類のQLV、四葉型振動と弦型振動を同定し、その性質を明らかにすべく研究を行った。四つ葉タイプのQLVは、マトリックスに機械的フラストレーションを与える異方性欠陥に由来する。四葉型QLVは、遠方ではべき乗減衰型の横振動を示すが、コア部、さらにその中心部ではそれぞれ体積振動とひも状振動を示す。これらの振動は機械的特性に大きな影響を与えるが、ボソンピークへの寄与はわずかであると考えている。同様の4葉型QLVは、欠陥のある単原子結晶でも観測されている。一方、ストリング型QLVは体積変化を伴わない純粋な横モードであり、ボソンピークに寄与するが、一次元（1D）であるため機械的フラストレーションは生まないことを反映して、せん断弾性には直接結合していないことを見出した。単原子結晶では、1次元のひも状運動であっても必然的にマトリックスと強く結合するため、ひも状のQLVを持つことはできず、したがってボソンピークを持たない。すなわち、四葉型QLVと弦型QLVの決定的な違いは、前者が機械的にマトリックスを歪ませるのに対し、後者は歪を生まない点にあると考えている。このような異なる性質を持つ2種類の非フォノニックQLVの存在に関する知見は、低温特性を制御するガラスの低周波振動の理解につながるものと期待している。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

我々はガラスには2種類の局在モードが存在する可能性があると考えており、この新しい観点からガラスの低周波振動状態の解明に取り組んでいる。一つは、よく知られている多極子モードで、ゴールドストーン最低周波数以下でフォノンとの結合なく観察可能である。もう一つは、より局所的で1次元的な性質を持つストリング状の局在振動モードである。しかし、これらの振動モードは、フォノンと強く結合している。そのため、その振動モードの性質をフォノンと切り離して研究するのは極めて困難である。そこで我々は、これらのモードをフォノンから切り離す方法として、フーリエ変換法と、ヘシアン行列をフォノンと非フォノンの部分空間に分解し、それぞれの部分空間に対応する固有モードを求める方法を採用した。これらの手法を用い、多極子モードとストリング状局在モードの違いを、モードパターン、空間減衰プロファイル、状態密度の周波数依存性に着目して調べ、いくつかの基本的な相違を見出した。これまで、準局在振動は、一種類と考えられてきたが、２種類のモードの存在は、アモルファス物質の低エネルギー励起、低温物性の理解に大きく貢献すると期待される。

Strategy for Future Research Activity

我々は、上記の2種類の振動モードの起源を、静的構造的な視点と動的な視点の両方から、より包括的に理解することを計画している。静的構造的な観点では、局所的な配置（ボロノイ体積、ボンド配向秩序パラメータ）、弾性特性（局所応力、力定数、拘束力）など、これらのモードに関連する静的な構造・力学特性と2つのモードとの関係を明らかにすることを目的とする。動的な観点では、これまで温度ゼロの固有状態について主に研究してきたが、これらのモードの有限温度挙動を動的構造因子の解析を通じて調べることで、これらのモードが異なる温度でどのように緩和され、熱伝導の温度依存性にどのように寄与するかについて、さらなる知見を得る予定である。