Collective excitations in amorphous ice

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper presents the results of a study of microscopic collective excitations in low-density amorphous ice obtained by molecular dynamics simulation based on the monatomic ML-mW model of the intermolecular interaction potential. The calculated spectra of longitudinal and transverse currents reveal the presence of propagating collective excitations of longitudinal and transverse polarizations in amorphous ice for a wide range of wavenumbers. The region of mixing of longitudinal and transverse collective modes in low-density amorphous ice is established. It is shown that the temperature dependence of the gap width kgap in the dispersion law of transverse acoustic-like modes is described by a linear dependence.

About the authors

R. M. Khusnutdinoff

Kazan State Energy University

Email: khrm@mail.ru
51 Krasnoselskaya St., Kazan, 420066 Russia

References

  1. Montfrooij W. and de Schepper I. Excitations in simple liquids, liquid metals and superfluids. New York: Oxford University Press, 2010.
  2. Pines D. Elementary excitations in solids. New York - Amsterdam: W.A. Benjamin Inc, 1963.
  3. Boon J.P., Yip S. Molecular Hydrodynamics. New York: McGraw-Hill, 1980.
  4. Boinovich L.B., Emelyanenko A.M. Forces due to dynamic structure in thin liquid films // Adv. Colloid Interf. Sci. 2002. V. 96. P. 37–58. https://doi.org/10.1016/s0001-8686(01)00074-4
  5. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Ленинград: Наука, 1975.
  6. Barrat J.-L. and Hansen J.-P. Basic concepts for simple and complex liquids. Cambridge: University Press, 2003.
  7. Balucani U. and Zoppi M. Dynamics of the liquid state. Oxford: Clarendon Press, 1994.
  8. Brazhkin V.V., Trachenko K. Collective excitations and thermodynamics of disordered state: New insights into an old problem // J. Phys. Chem. B. 2014. V. 118. P. 11417–11427. https://doi.org/10.1021/jp503647s
  9. Trachenko K., Brazhkin V.V. Collective modes and thermodynamics of the liquid state // Rep. Prog. Phys. 2016. V. 79. P. 016502. https://doi.org/ 10.1088/0034-4885/79/1/016502
  10. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В. Атомарные коллективные возбуждения в жидком свинце // Письма в ЖЭТФ. 2014. Т. 100. С. 42. https://doi.org/10.7868/S0370274X14130086
  11. March N.H. Liquid metals: Concepts and theory. Cambridge: Cambridge University Press, 1990.
  12. Levesque D., Verlet L., Kurkijarvi J. Computer “experiments” on classical fluids. iv. transport properties and time-correlation functions of the Lennard-Jones liquid near its triple point // Phys. Rev. A. 1973. V. 7. P. 1690. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.7.1690
  13. Hosokawa S., Munejiri S., Inui M., Kajihara Y., Pilgrim W.-C., Ohmasa Y., Tsutsui S., Baron A.Q.R., Shimojo F., Hoshino K. Transverse excitations in liquid Sn // J. Phys. Condens. Matter. 2013. V. 25. P. 112101. https://doi.org/10.1088/0953-8984/25/11/112101
  14. Hosokawa S., Munejiri S., Inui M., Kajihara Y., Pilgrim W.-C., Baron A.Q.R., Shimojo F., Hoshino K. Transverse excitations in liquid metals // AIP Conf. Proc. 2013. V. 1518. P. 695–702. https://doi.org/10.1063/1.4794661
  15. Hosokawa S., Inui M., Kajihara Y., Tsutsui S., Baron A.Q.R. Transverse excitations in liquid Fe, Cu and Zn // J. Phys.: Condens. Matter. 2015. V. 27. P. 194104. https://doi.org/10.1088/0953-8984/27/19/194104
  16. Rahman A., Stillinger F.H. Propagation of sound in water. A molecular-dynamics study // Phys. Rev. A. 1974. V. 10. P. 368. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.10.368
  17. Sette F., Ruocco G., Krisch M., Masciovecchio C., Verbeni R., Bergmann U. Collective dynamics in water by high energy resolution inelastic X-Ray scattering // Phys. Rev. Lett. 1995. V. 75. P. 850. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.75.850
  18. Ricci M.A., Rocca D., Ruocco G., Vallauri R. Collective dynamical properties of liquid water // Phys. Rev. Lett. 1988. V. 61. P. 1958. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.61.1958
  19. Sastry S., Sciortino F., Stanley H.E. Collective excitations in liquid water at low frequency and large wave vector // J. Chem. Phys. 1991. V. 95. P. 7775–7776. https://doi.org/10.1063/1.461354
  20. Bertolini D., Tani A. Generalized hydrodynamics and the acoustic modes of water: Theory and simulation results // Phys. Rev. E. 1995. V. 51. P. 1091. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.51.1091
  21. Petrillo C., Sacchetti F., Dorner B., Suck J.-B. High-resolution neutron scattering measurement of the dynamic structure factor of heavy water // Phys. Rev. E. 2000. V. 62. P. 3611. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.62.3611
  22. Sacchetti F., Suck J.-B., Petrillo C., Dorner B. Brillouin neutron scattering in heavy water: Evidence for two-mode collective dynamics // Phys. Rev. E. 2004. V. 69. P. 061203. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.69.061203
  23. Chan H., Cherukara M.J., Narayanan B., Loeffler T.D., Benmore C., Gray S.K., Sankaranarayanan S. Machine learning coarse grained models for water // Nat. Commun. 2019. V. 10. P. 379. https://doi.org/10.1038/s41467-018-08222-6
  24. Molinero V., Moore E.B. Water Modeled As an Intermediate Element between Carbon and Silicon // J. Phys. Chem. B. 2009. V. 113. P. 4008–4016. https://doi.org/10.1021/jp805227c
  25. Yunusov M.B., Khusnutdinoff R.M. Neural network model for predicting the atomization energy of multi-atomic molecules based on sorted Coulomb matrices // High Energy Chemistry. 2024. V. 58. P. S286. https://doi.org/10.1134/S0018143924701017
  26. Mallamace F., Corsaro C., Stanley H.E. Possible relation of water structural relaxation to water anomalies // PNAS. 2013. V. 110. P. 4899. https://doi.org/10.1073/pnas.1221805110
  27. Хуснутдинов Р.М. Микроскопическая коллективная динамика воды // Коллоид. журн. 2016. Т. 78. № 2. С. 208. https://doi.org/10.7868/S0023291216010092
  28. Guthrie M., Tulk C.A., Benmore C.J., Klug D.D. A structural study of very high-density amorphous ice // Chem. Phys. Lett. 2004. V. 397. P. 335. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.07.116
  29. Хуснутдинов Р.М. Динамика сетки водородных связей при электрокристаллизации воды // Коллоид. журн. 2013. Т. 75. № 6. С. 792. https://doi.org/10.7868/s0023291213060062
  30. Хуснутдинов Р.М. Структурные и динамические особенности воды и аморфного льда // Коллоид. журн. 2017. Т. 79. № 1. С. 104. https://doi.org/10.7868/S0023291217010074
  31. Mishima O. Polyamorphism in water // Proc. Jpn. Acad., Ser. B. 2010. V. 86. P. 165. https://doi.org/10.2183/pjab.86.165

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».