在循環準靜態變形剪切下，非晶材料中的阻塞是一種具有淬滅無序的一級相變

核心概念

阻塞相變在循環剪切非晶材料中表現為具有淬滅無序的一級相變，其有限尺寸效應源於阻塞密度在有限尺寸系統中的漲落。

摘要

文獻資訊

Deng, Y., Pan, D., & Jin, Y. (2024). Jamming is a first-order transition with quenched disorder in amorphous materials sheared by cyclic quasistatic deformations. arXiv preprint arXiv:2403.01834v4.

研究目標

本研究旨在探討非晶材料在循環準靜態剪切變形下的阻塞相變的本質。

研究方法

作者使用數值模擬的方法，對二維和三維的軟球體系進行了循環準靜態剪切模擬，並分析了系統的配位數、阻塞密度、壓力、阻塞分數等物理量的行為。

主要發現

• 研究發現，在循環剪切下，非晶材料的阻塞相變表現為具有淬滅無序的一級相變。
• 阻塞密度的有限尺寸效應可以用阻塞密度在有限尺寸系統中的漲落來解釋。
• 阻塞分數的尺度行為可以用誤差函數來描述。
• 連接和非連接磁化率之間存在平方關係，這是具有淬滅無序的一級相變的關鍵特徵。

主要結論

本研究的結果表明，阻塞相變可以歸類為一類廣泛的無序系統中的相變，其中樣本間的漲落支配著熱漲落。這表明阻塞相變的性質和行為可以在無熱驅動的隨機場伊辛模型的理論框架內得到更好的理解。

研究意義

本研究為理解非晶材料的阻塞相變提供了新的視角，並為進一步研究阻塞相變的性質和行為提供了理論依據。

研究限制和未來方向

• 本研究僅考慮了軟球體系，未來可以進一步研究其他非晶材料的阻塞相變。
• 本研究僅考慮了循環準靜態剪切變形，未來可以進一步研究其他變形模式下的阻塞相變。

統計資料

二維軟球體系的阻塞密度 φJ ≈ 0.842 - 0.843。
阻塞狀態的平均配位數滿足最小等靜壓條件，Z ≥ 2d = 4。
脆性狀態的配位數範圍為 3 < Z < 4。
阻塞分數 FJ(φ, N) 的尺度行為可以用誤差函數來描述，其中 λ = 1/2。
無限大系統尺寸的阻塞密度 φ∞J = 0.8432(2)。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Jamming is a first-order transition with quenched disorder in amorphous materials sheared by cyclic quasistatic deformations

by Yue Deng, De... 於 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2403.01834.pdf

深入探究

除了循環剪切之外，其他類型的變形如何影響非晶材料中的阻塞相變？

除了循環剪切，其他類型的變形，例如單向剪切、壓縮和振動，也會影響非晶材料中的阻塞相變。這些變形方式對阻塞相變的影響主要體現在以下幾個方面：

阻塞密度（φJ）: 不同變形方式下，系統達到阻塞狀態所需的臨界密度φJ可能會有差異。例如，快速壓縮通常會導致更高的φJ，而循環剪切則傾向於達到較低的φJ，這與文中提到的循環剪切能達到J-點密度相符。

阻塞相變的性質: 有研究表明，單向剪切下的阻塞相變可能表現出與循環剪切不同的臨界行為。例如，在單向剪切下，系統可能更容易受到剪切帶和非仿射變形的影響，導致更平滑的相變過程。

微觀結構: 不同變形方式會導致系統形成不同的微觀結構，進而影響阻塞相變的性質。例如，壓縮會導致更緊密的堆積結構，而剪切則會產生更各向異性的結構。

動力學: 不同變形方式下，系統弛豫到阻塞狀態的動力學過程也會有所不同。例如，循環剪切下的阻塞相變通常表現出與時間相關的行為，而快速壓縮則可能導致更接近於瞬時的阻塞。

總之，阻塞相變的性質與所施加的具體變形方式密切相關。深入理解不同變形方式對阻塞相變的影響，對於設計和控制非晶材料的力學性能具有重要意義。

如果考慮熱效應，阻塞相變的性質會如何變化？

考慮熱效應後，阻塞相變的性質會發生顯著變化，主要體現在以下幾個方面：

從無序到有序: 在無熱系統中，阻塞相變可以看作是一種純粹的幾何相變，由粒子的堆積和接觸網絡的形成所決定。而引入熱效應後，系統會受到熵的影響，傾向於探索更多的構型空間，從而可能導致從無序的阻塞態到有序晶體態的轉變。

相變的級次: 熱效應可能會改變阻塞相變的級次。例如，在某些情況下，熱效應可能會使原本屬於一級相變的阻塞相變轉變為連續相變。

新的臨界行為: 熱效應可能會導致新的臨界行為和臨界指數的出現。例如，在接近阻塞相變點時，系統的弛豫時間、關聯長度等物理量可能會表現出與無熱系統不同的標度行為。

動力學: 熱效應會顯著影響系統的動力學，例如改變系統在阻塞相變點附近的弛豫行為。

總之，熱效應會為阻塞相變引入新的物理機制，導致更豐富的相變行為。研究熱效應下的阻塞相變，對於理解非晶材料在有限溫度下的力學性能至關重要。

阻塞相變的研究結果對於理解其他無序系統中的相變有何啟示？

阻塞相變作為一種典型的無序系統中的相變現象，其研究結果對於理解其他無序系統中的相變具有以下啟示：

無序的重要性: 阻塞相變的研究突出了無序在相變中的重要作用。與傳統的有序系統不同，無序系統的相變行為往往受到無序度的顯著影響，例如阻塞密度、臨界指數等都可能與無序度有關。

幾何阻挫: 阻塞相變的根源在於系統中的幾何阻挫，即粒子無法同時滿足所有幾何約束條件。這種幾何阻挫也存在於其他無序系統中，例如自旋玻璃、結構玻璃等，因此阻塞相變的研究可以為理解這些系統中的阻挫效應提供借鑒。

非平衡態: 阻塞相變通常發生在非平衡態，這也體現了非平衡態物理在理解無序系統相變中的重要性。例如，阻塞相變的動力學過程、弛豫行為等都需要用非平衡態統計物理的理論和方法來描述。

普適性: 儘管阻塞相變的研究主要集中在顆粒系統，但其背後的物理機制和相變行為可能具有普適性，可以用於理解其他無序系統中的相變現象，例如蛋白質摺疊、玻璃化轉變等。

總之，阻塞相變的研究為理解無序系統中的相變提供了一個新的視角，其研究成果和方法可以推廣到其他無序系統，促進對凝聚態物理、材料科學等領域的發展。