Микроскопическая коллективная динамика атомов расплава меди вблизи температуры плавления

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

В работе представлены результаты численного и теоретического исследования атомарных коллективных возбуждений в жидкой меди при температуре T = 1423 К. Рассчитанные структурные и динамические характеристики сравниваются с экспериментальными данными по рассеянию рентгеновских лучей. На основе конфигурационных данных по моделированию атомарной/молекулярной динамики расплава меди рассчитаны частотные характеристики динамического структурного фактора и спектральной плотности временной корреляционной функции поперечного потока для широкой области значений волновых чисел. Описание спектров интенсивности рассеяния рентгеновских лучей I(k, ω) выполнено в рамках подхода, учитывающего лишь структурные характеристики и релаксационные параметры системы. Результаты моделирования косвенно подтверждают гипотезу о наличии «откликов» от поперечных возбуждений в экспериментально измеряемой величине – динамическом структурном факторе в жидких металлах. Определены характерные временные масштабы процесса структурной релаксации флуктуации концентрации частиц в расплаве меди вблизи температуры плавления.

About the authors

R. M. Khusnutdinoff

Kazan State Energy University

Email: khrm@mail.ru
Kazan, Russia

References

  1. Montfrooij W., de Schepper I. Excitations in Simple Liquids, Liquid Metals, and Superfluids. N.Y.: Oxford University Press, 2010. 288 p.
  2. Pines D. Elementary Excitations in Solids. N.Y.–Amsterdam: W.A. Benjamin Inc., 1963. 200 p.
  3. Boon J.P., Yip S. Molecular Hydrodynamics. N.Y.: McGraw-Hill, 1980. 417 p.
  4. 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.
  5. Trachenko K., Brazhkin V.V. Collective Modes and Thermodynamics of the Liquid State // Rep. Prog. Phys. 2016. V. 79. P. 016502.
  6. March N.H. Liquid Metals: Concepts and Theory. Cambridge: Cambridge University Press, 1990. 508 p.
  7. Balucani U., Zoppi M. Dynamics of the Liquid State. Oxford: Clarendon Press, 1994. 178 p.
  8. 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.
  9. Hansen J.P., McDonald I.R. Theory of Simple Liquids. N.Y.: Acad. Press, 2006. 416 p.
  10. Hosokawa S., Inui M., Kajihara Y., Matsuda K., Ichitsubo T., Pilgrim W.C., Sinn H., Gonzalez L.E., Gonzalez D.J., Tsutsui S., Baron A.Q.R. Transverse Acoustic Excitations in Liquid Ga // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102. P. 105502.
  11. Hosokawa S., Munejiri S., Inui M., Kajihara Y., Pilgrim W.-C., Ohmasa Y., Tsutsui S., Baron A.Q.R., ShimojoF., Hoshino K. Transverse Excitations in Liquid Sn // J. Phys. Condens. Matter. 2013. V. 25. P. 112101.
  12. 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.
  13. 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.
  14. Scopigno T., Pontecorvo E., Di Leonardo R., Krisch M., Monaco G., Ruocco G., Ruzicka B., Sette F. High-frequency Transverse Dynamics in Glasses // J. Phys.: Condens. Matter. 2003. V. 15. P. S1269.
  15. Sampoli M., Ruocco G., Sette F. Mixing of Longitudinal and Transverse Dynamics in Liquid Water // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 79. P. 1678.
  16. Cimatoribus A., Saccani S., Bencivenga F., Gessini A., Izzo M.G., Masciovecchio C. The Mixed Longitudinal–Transverse Nature of Collective Modes in Water // New J. Phys. 2010. V. 12. P. 053008.
  17. Dell’Anna R., Ruocco G., Sampoli M., Viliani G. High Frequency Sound Waves in Vitreous Silica // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 80. P. 1236.
  18. Ruzicka B., Scopigno T., Caponi S., Fontana A., Pilla O., Giura P., Monaco G., Pontecorvo E., Ruocco G., Sette F. Evidence of Anomalous Dispersion of the Generalized Sound Velocity in Glasses // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. P. 100201.
  19. Bove L.E., Fabiani E., Fontana A., Paoletti F., Petrillo C., Pilla O., Bento I.C.V. Brillouin Neutron Scattering of v-GeO2 // Europhys. Lett. 2005. V. 71. P. 563.
  20. Orsingher L., Baldi G., Fontana A., Bove L.E., Unruh T., Orecchini A., Petrillo C., Violini N., Sacchetti F. High-frequency Dynamics of Vitreous GeSe2 // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. P. 115201.
  21. Fomin Yu.D., Ryzhov V.N., Tsiok E.N., Brazhkin V.V. Excitation Spectra of Liquid Iron up to Superhigh Temperatures // J. Phys.: Condens. Matter. 2017. V. 29. P. 345401.
  22. Plimpton S.J. Fast Parallel Algorithms for Short-range Molecular Dynamics // J. Comput. Phys. 1995. V. 117. P. 1.
  23. Sheng H.W., Kramer M.J., Cadien A., Fujita T., Chen M.W. Highly Optimized Embedded-atom-method Potentials for Fourteen FCC Metals // Phys. Rev. B. 2011. V. 83. P. 134118.
  24. Белащенко Д.К. Потенциалы модели погруженного атома для жидких меди и серебра // Неорг. материалы. 2012. Т. 48. № 9. С. 1062.
  25. Mendelev M.I., Kramer M.J., Becker C.A., Asta M. Analysis of Semi-empirical Interatomic Potentials Appropriate for Simulation of Crystalline and Liquid Al and Cu // Phil. Mag. 2008. V. 88. P. 1723.
  26. Mishin Y., Mehl M.J., Papaconstantopoulos D.A., Voter A.F., Kress J.D. Structural Stability and Lattice Defects in Copper: Ab initio, Tight-binding, and Embedded-atom Calculations // Phys. Rev. B. 2001. V. 63. P. 224106.
  27. Sharifi H., Wick C.D. Developing Interatomic Potentials for Complex Concentrated Alloys of Cu, Ti, Ni, Cr, Co, Al, Fe, and Mn // Comp. Mat. Sci. 2025. V. 248. P. 113595.
  28. Etesami S.A., Asadi E. Molecular Dynamics for near Melting Temperatures Simulations of Metals Using Modified Embedded-atom Method // J. Phys. Chem. Sol. 2018. V. 112. P. 61.
  29. Waseda Y. The Structure of Non-Crystalline Materials: Liquids and Amorphous Solids. N.Y.: McGraw-Hill, 1980. 326 p.
  30. Copley J.R.D., Lovesey S.W. The Dynamic Properties of Monatomic Liquids // Rep. Prog. Phys. 1975. V. 38. P. 461.
  31. Zwanzig R. Memory Effects in Irreversible Thermodynamics // Phys. Rev. 1961. V. 124. P. 983.
  32. Mori H. Transport, Collective Motion, and Brownian Motion // Prog. Theor. Phys. 1965. V. 33. P. 423.
  33. Мокшин А.В., Юльметьев Р.М., Хуснутдинов Р.М., Хангги П. Коллективная динамика жидкого алюминия вблизи температуры плавления: теория и компьютерное моделирование // ЖЭТФ. 2006. Т. 130. С. 974.
  34. Michler E., Hahn H., Schofield P. Calculation of the Neutron Scattering Law of Liquid Aluminium // J. Phys. F: Metal Phys. 1977. V. 7. P. 869.
  35. Хуснутдинов Р.М., Мокшин А.В., Меньшикова С.Г., Бельтюков А.Л., Ладьянов В.И. Вязкостные и акустические свойства расплавов AlCu // ЖЭТФ. 2016. Т. 149. С. 994.
  36. Боголюбов Н.Н. Динамические проблемы в статистической физике. М.: Гостехиздат, 1946. 120 с.
  37. Мокшин А.В. Самосогласованный подход к описанию релаксационных процессов в классических многочастичных системах // ТМФ. 2015. Т. 183. № 1. С. 3.
  38. Yulmetyev R.M., Mokshin A.V., Hänggi P., Shurygin V.Yu. Time-scale Invariance of Relaxation Processes of Density Fluctuation in Slow Neutron Scattering in Liquid Cesium // Phys. Rev. E. 2001. V. 64. P. 057101.
  39. Yulmetyev R.M., Mokshin A.V., Hänggi P., Shury-gin V.Yu. Dynamic Structure Factor in Liquid Cesium on the Basis of Time-scale Invariance of Relaxation Processes // JETP Lett. 2002. V. 76. P. 147.
  40. Yulmetyev R.M., Mokshin A.V., Scopigno T., Hänggi P. New Evidence for the Idea of Time-scale Invariance of Relaxation Processes in Simple Liquids: the Case of Molten Sodium // J. Phys.: Condens. Matter. 2003. V. 15. P. 2235.
  41. Mokshin A.V., Yulmetyev R.M., Khusnutdinoff R.M., Hänggi P. Analysis of the Dynamics of Liquid Aluminium: Recurrent Relation Approach // J. Phys.: Condens. Matter. 2007. V. 19. P. 046209.
  42. Zwanzig R. Noneqilibrium Statistical Mechanics. Oxford: Clarendon Press, 2001. 222 p.
  43. Götze W. Complex Dynamics of Glass Forming Liquids. A Mode-Coupling Theory. Oxford: Oxford University Press, 2009. 656 p.
  44. Mithen J.P., Daligault J., Crowley B.J.B., Gregori G. Density Fluctuations in the Yukawa One-component Plasma: an Accurate Model for the Dynamical Structure Factor // Phys. Rev. E. 2011. V. 84. P. 046401.
  45. Mithen J.P. Transverse Current Fluctuations in the Yukawa One-component Plasma // Phys. Rev. E. 2014. V. 89. P. 013101.
  46. Berne B.J., Boon J.P., Rice S.A. On the Calculation of Autocorrelation Functions of Dynamical Variables // J. Chem. Phys. 1966. V. 45. P. 1086.
  47. Bafile U., Guarini E., Barocchi F. Collective Acoustic Modes as Renormalized Damped Oscillators: Unified Description of Neutron and x-Ray Scattering Data from Classical Fluids // Phys. Rev. E. 2006. V. 73. P. 061203.
  48. Aliotta F., Gapinski J., Pochylski M., Ponterio R.C., Saija F., Vasi C. Collective Acoustic Modes in Liquids: A Comparison between the Generalized-hydrodynamics and Memory-function Approaches // Phys. Rev. E. 2011. V. 84. P. 051202.
  49. Rahman A. Correlations in the Motion of Atoms in Liquid Argon // Phys. Rev. 1964. V. 136. P. A405.
  50. Tankeshwar K., Pathak K.N., Ranganathan S. Self-diffusion Coefficients of Lennard-Jones Fluids // J. Phys. C: Solid State Phys. 1987. V. 20. P. 5749.
  51. Tankeshwar K., Pathak K.N., Ranganathan S. The Shear Viscosity of Lennard-Jones Fluids // J. Phys. C: Solid State Phys. 1988. V. 21. P. 3607.
  52. Singh S., Tankeshwar K. Collective Dynamics in Liquid Lithium, Sodium, and Aluminum // Phys. Rev. E. 2003. V. 67. P. 012201.
  53. Nuevo M.J., Morales J.J., Heyes D.M. Temperature and Density Dependence of the Self-diffusion Coefficient and Mori Coefficients of Lennard-Jones Fluids by Molecular Dynamics Simulation // Phys. Rev. E. 1997. V. 55. P. 4217.
  54. Shimoho F., Hoshino K., Watabe M. Dynamical Correlation Functions and Memory Functions of Liquid Sodium–A Molecular Dynamics Simulation // J. Phys. Soc. Jpn. 1994. V. 63. P. 141.
  55. Torcini A., Balucani U., de Jong P.H.K., Verkerk P. Microscopic Dynamics in Liquid Lithium // Phys. Rev. E. 1995. V. 51. P. 3126.
  56. Casas J., Gonzalez D.J., Gonzalez L.E. Dynamical Properties of Liquid Lithium above the Melting Point // Phys. Rev. B. 1999. V. 60. P. 10094.
  57. Egelstaff P.A. Collective Modes and Many Body Forces in Fluids: An Experimental Study // Phys. Chem. Liq. 1987. V. 16. P. 293.
  58. Vogelsang R., Hoheisel C. The Friction Coefficient of a Lennard-Jones Fluid from the Random Force Autocorrelation Function Determined as a Memory Function by Molecular Dynamics Calculations // J. Stat. Phys. 1989. V. 54. P. 315.
  59. Khusnutdinoff R.M., Khairullina R.R., Beltyukov A.L., Lad’yanov V.I., Mokshin A.V. Viscous Properties of Nickel-containing Binary Metal Melts // J. Physics: Condens. Matter. 2021. V. 33. P. 104006.
  60. Barker M.I., Gaskell T. Velocity Autocorrelation Function and Diffusion Coefficient in a Liquid. II // J. Phys. C. 1972. V. 5. P. 353.
  61. Sjogren L. Numerical Results on the Velocity Correlation Function in Liquid Argon and Rubidium // J. Phys. C. 1980. V. 13. P. 705.
  62. Kneller G.R., Hinsen K. Computing Memory Functions from Molecular Dynamics Simulations // J. Chem. Phys. 2001. V. 115. P. 11097.
  63. Lee M.H. Can the Velocity Autocorrelation Function Decay Exponentially? // Phys. Rev. Lett. 1983. V. 51. P. 1227.
  64. Ryltsev R.E., Chtchelkatchev N.M. Hydrodynamic Anomalies in Supercritical Fluid // J. Chem. Phys. 2014. V. 141. P. 124509.
  65. Marqués M., González D.J., González L.E. Structure and Dynamics of High-pressure Na Close to the Melting Line: An ab initio Molecular Dynamics Study // Phys. Rev. B. 2016. V. 94. P. 024204.
  66. Fomin Yu.D., Ryzhov V.N., Tsiok E.N., Brazhkin V.V. Excitation Spectra of Liquid Iron up to Super-high Temperatures // J. Phys.: Condens. Matter. 2017. V. 29. P. 345401.
  67. Del Rio B.G., González L.E. Longitudinal, Transverse, and Single-particle Dynamics in Liquid Zn: Ab initio Study and Theoretical Analysis // Phys. Rev. B. 2017. V. 95. P. 224201.
  68. Khusnutdinoff R.M., Cockrell C., Dicks O.A., Jensen A.C.S., Le M.D., Wang L., Dove M.T., Mokshin A.V., Brazhkin V.V., Trachenko K. Collective Modes and Gapped Momentum States in Liquid Ga: Experiment, Theory, and Simulation // Phys. Rev. B. 2020. V. 101. P. 214312.
  69. Kryuchkov N.P., Mistryukova L.A., Brazhkin V.V., Yurchenko S.O. Excitation Spectra in Fluids: How to Analyze Them Properly // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 10483.
  70. Trachenko K., Brazhkin V.V. Collective Modes and Thermodynamics of the Liquid State // Rep. Prog. Phys. 2015. V. 79. P. 016502.
  71. Yang C., Dove M.T., Brazhkin V.V., Trachenko K. Emergence and Evolution of the k Gap in Spectra of Liquid and Supercritical States // Phys. Rev. Lett. 2017. V. 118. P. 215502.

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».