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Hyperuniformity of Weighted Particle Systems

Torquato, Salvatore und Kim, Jaeuk und Klatt, Michael Andreas und Car, Roberto und Steinhardt, Paul J. (2026) Hyperuniformity of Weighted Particle Systems. Physical Review X, 16 (1), 011042. American Physical Society. doi: 10.1103/fr99-qh7h. ISSN 2160-3308.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1103/fr99-qh7h

Kurzfassung

Hyperuniform particle arrangements are characterized by a local number variance within a spherical window of radius R that grows more slowly than the volume of the window, i.e., R^d, in d-dimensional Euclidean space. We generalize this concept to describe the large-scale behavior of particle systems in which particles carry weights: internal degrees of freedom such as scalars (charges and masses), vectors (electric dipole moments, velocities, and torques), pseudovectors (spins and angular momenta), directors (bond orientations), tensors (quadrupole moments), or extrinsic local attributes (Voronoi-cell characteristics). The underlying hyperuniform arrangement may be ordered (crystals and quasicrystals) or disordered, the latter of which has been extensively studied for its novel properties. Our generalization extends hyperuniformity from fluctuations in particle positions to fluctuations in the spatial distribution of weights and examines how weighted fluctuations compare to their unweighted counterparts. We derive generalized weighted pair correlation functions, autocovariance functions, and spectral functions and show their relation to formulas for the local variance in weighted many-particle systems. Then, we apply our formalism to determine the hyperuniformity or nonhyperuniformity of bond-orientational ordered phases, dipolar liquid water, Voronoi-cell volumes, and certain ionic liquids in various Euclidean space dimensions. We demonstrate that hyperuniformity in the particle system does not necessarily translate to hyperuniformity of the weighted system. In fact, cases exist where a hyperuniform particle system becomes antihyperuniform when weighted and others where nonhyperuniform or antihyperuniform particle systems yield hyperuniform weighted systems. This theoretical framework provides a road map for quantifying large-scale fluctuations in weighted many-particle systems, offering a powerful tool for identifying systems with novel physical properties.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/223163/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Hyperuniformity of Weighted Particle Systems
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Torquato, SalvatoreNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0003-4614-335XNICHT SPEZIFIZIERT
Kim, JaeukNICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0002-5562-2937NICHT SPEZIFIZIERT
Klatt, Michael Andreasmichael.klatt (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1029-5960210943731
Car, RobertoNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Steinhardt, Paul J.NICHT SPEZIFIZIERThttps://orcid.org/0000-0003-3488-1603NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:3 März 2026
Erschienen in:Physical Review X
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:16
DOI:10.1103/fr99-qh7h
Seitenbereich:011042
Verlag:American Physical Society
ISSN:2160-3308
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Complex Systems, Condensed Matter Physics, Statistical Physics, Hyperuniformity
HGF - Forschungsbereich:keine Zuordnung
HGF - Programm:keine Zuordnung
HGF - Programmthema:keine Zuordnung
DLR - Schwerpunkt:Digitalisierung
DLR - Forschungsgebiet:D - keine Zuordnung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):D - keine Zuordnung, R - Modellsysteme, R - Synergieprojekt SKIAS 2.0
Standort: Ulm
Institute & Einrichtungen:Institut für KI-Sicherheit
Institut für Frontier Materials auf der Erde und im Weltraum
Institut für Frontier Materials auf der Erde und im Weltraum > Funktionale Granulate und Komposite
Hinterlegt von: Klatt, Dr. Michael Andreas
Hinterlegt am:07 Apr 2026 15:24
Letzte Änderung:07 Apr 2026 15:24

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