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Cut-off nonlinearities in the low-temperature vibrations of glasses and crystals

Mizuno, Hideyuki und Silbert, Leo und Sperl, Matthias und Mossa, Stefano und Barrat, Jean-Louis (2016) Cut-off nonlinearities in the low-temperature vibrations of glasses and crystals. Physical Review E, 93, 043314. American Physical Society. doi: 10.1103/PhysRevE.93.043314. ISSN 2470-0045.

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Offizielle URL: https://doi.org/10.1103/PhysRevE.93.043314

Kurzfassung

We present a computer simulation study of glassy and crystalline states using the standard Lennard-Jones interaction potential that is truncated at a finite cutoff distance, as is typical of many computer simulations. We demonstrate that the discontinuity at the cutoff distance in the first derivative of the potential (corresponding to the interparticle force) leads to the appearance of cutoff nonlinearities. These cutoff nonlinearities persist into the very-low-temperature regime thereby affecting low-temperature thermal vibrations, which leads to a breakdown of the harmonic approximation for many eigenmodes, particularly for low-frequency vibrational modes. Furthermore, while expansion nonlinearities which are due to higher order terms in the Taylor expansion of the interaction potential are usually ignored at low temperatures and show up as the temperature increases, cutoff nonlinearities can become most significant at the lowest temperatures. Anharmonic effects readily show up in the elastic moduli which not only depend on the eigenfrequencies, but are crucially sensitive to the eigenvectors of the normal modes. In contrast, those observables that rely mainly on static structural information or just the eigenfrequencies, such as the vibrational density of states, total potential energy, and specific heat, show negligible dependence on the presence of the cutoff. Similar aspects of nonlinear behavior have recently been reported in model granular materials, where the constituent particles interact through finite-range, purely repulsive potentials. These nonlinearities have been ascribed to the nature of the sudden cutoff at contact in the force law. As a consequence, we demonstrate that cutoff nonlinearities emerge as a general feature of ordered and disordered solid state systems interacting through truncated potentials.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/110338/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Cut-off nonlinearities in the low-temperature vibrations of glasses and crystals
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Mizuno, Hideyukihideyuki.mizuno (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Silbert, LeoNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sperl, MatthiasMatthias.Sperl (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mossa, Stefanouniv. grenoble alpes, inac-spram, f-38000 grenoble, franceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Barrat, Jean-Louisuniv. grenoble alpes, liphy, f-38000 grenoble, franceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:April 2016
Erschienen in:Physical Review E
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:93
DOI:10.1103/PhysRevE.93.043314
Seitenbereich:043314
Verlag:American Physical Society
ISSN:2470-0045
Status:veröffentlicht
Stichwörter:molecular Dynamics simulation
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HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R FR - Forschung unter Weltraumbedingungen
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Modellsysteme
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Materialphysik im Weltraum
Hinterlegt von: Sperl, Matthias
Hinterlegt am:09 Jan 2017 15:16
Letzte Änderung:17 Mär 2021 13:40

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