セミナー | R研 | 名古屋大学

セミナー　（2014年4月以降）

2024年度

日時: 2024年5月22日(水) 14:00～15:30
タイトル: Chiral flow and pairing order transition in confined active matter
講演者: Professor Yusuke T. Maeda (Department of Chemical Engineering, Kyoto University)
場所: 理学B5講義室(理学B棟501)

アブストラクト The last two decades have seen an exciting development in the physics of active matter, and the control of its collective patterns has attracted interest because of its potential to exploit the hidden ordered phase. Despite extensive studies, one of the key aspects of such collective motion has remained elusive: This is chirality, or mirror symmetry breaking in motion. We study the controlled collective motion of Escherichia coli bacteria, which has intrinsic chirality in swimming. We show the selective stabilization of the chiral rotation of bacterial vortices in achiral circular microwells sealed by an oil/water interface. The intrinsic chirality of bacteria swimming near the top and bottom interfaces generates chiral collective motions of bacteria, while their competition leads to break the mirror symmetry of the system. This chiral edge flow favors corotational configurations of interacting vortices and enhances their order [1], and consistent with this experimental finding, the numerical simulation model shows that the group of chiral active particles further take on drastically different forms depending on their chirality [2].

[1] Beppu K, et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 118, e2107461118 (2021)
[2] Negi A, et al. Physical Review Research 5, 023196 (2023)

2023年度

日時: 2023年11月22日(水) 14:00～15:30
タイトル: Sound attenuation in glasses
講演者: Professor Grzegorz Szamel (Colorado State University)
場所: 理学313

アブストラクト Sound attenuation in low temperature amorphous solids originates from their disordered structure. However, its detailed mechanism is still being debated. I will present an analysis of sound attenuation starting directly from the microscopic equations of motion. I will show that the new expressions for the zero-temperature sound damping coefficients agree very well with the results of independent, direct simulations of sound attenuation.

日時: 2023年6月14日(水) 13:00～15:30
タイトル: Exploring the Complex Molecular Dynamics of Water and Biomolecules
講演者: Prof. Fivos Perakis（Physics Department Stockholm University）
場所: 理学313

アブストラクト Water's interaction with diverse molecular components gives rise to intricate molecular dynamics that continue to challenge our understanding. This seminar aims to shed light on the underlying mechanisms governing these phenomena, which remain elusive despite recent experimental and theoretical advances in the field. Particularly, we delve into the unresolved question of how nanometer-scale transient structural heterogeneity influences the overall dynamics of solutes and biomolecules in solution. Furthermore, we will explore the intriguing proposition of water's anomalous properties directly impacting vital life processes. In this seminar, I will present the findings of our research group, focusing on the interplay between supercooled water's peculiar thermodynamic and dynamic properties and solutes. Our studies revolve around two key areas: the diffusion of nanoparticles in supercooled water [1,2] and the spatiotemporal fluctuations of hydrated proteins [3,4]. Additionally, I will unveil unpublished results obtained from rapidly supercooled microdroplets composed of aqueous mixtures, which provide novel insights into water's anomalies and its interplay with solvation.

[1] Berkowicz et al. Phys. Chem. Chem. Phys., 23, 25490 (2021)
[2] Berkowicz et al. Phys. Rev. Res., 4, L032012 (2022)
[3] Bin et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 18308-18313 (2021)
[4] Bin et al, J. Chem. Phys. B (in press) (2023)

日時: 2023年4月12日(水) 14:00～15:30
タイトル: 変形可能なアクティブ粒子集団モデルに現れる液液相転移
講演者: 斉藤稔氏（広島大学・統合生命科学研究科）
場所: 理学313

アブストラクト 細胞集団の運動をアクティブマターの観点から考えると、個々の細胞の形が変形しうるという点で、アクティブブラウン粒子や自己駆動ロッドなどとは大きく異なる。このような変形可能性が集団運動にどのような影響を与えるのか、理解は十分ではない。　本研究では細胞集団の運動を記述するために細胞輪郭のフーリエ級数展開を基礎とした数理モデルを提案した[1]。このモデルでは細胞形状はフーリエモードの重ね合わせとして記述でき、細胞運動は各フーリエ係数のダイナミクスとして記述される。上皮細胞を記述するセルバーテックスモデルとは異なり、多角形以外の様々な形状や細胞間隙などを表現できるモデルになっている。提案したモデルを用いて、排除体積効果のみを持つ自己駆動細胞集団が高密度で密集した状況の数値解析を行った。まず、細胞の柔らかさを規定するパラメータηの変化のみで細胞集団が固体化-流動化転移を示すことを発見した。先行研究の上皮細胞の研究[2]と異なり排除体積効果のみでもこのような現象が起こる。さらに、丸い細胞と大きく変形している細胞が共存しながら流動化するsoft fluid相と、細胞が丸い（あるいは六角形）形状を保ちながら流動化するhard fluid相が存在することがわかった。またこのfluid/soft fluidの液液相転移は位相欠陥のパーコレーションを伴うことを発見した。発見したfluid, soft fluid相はKTHNY理論が予測するisotropic fluid相に対応し、その二相とは別にhexatic相も存在することもわかった。

[1] Saito & Ishihara (2023) arXiv preprint arXiv:2303.03580
[2] Bi et al, (2015) Nat.Phys; Bi et al Phys.Rev. X (2016)

2022年度

日時: 2023年1月11日(水) 14:00～15:30
タイトル: 粒子ゲルの固体物性：構造、弾性、振動
講演者: 水野英如氏 (東京大学)
場所: B4講義室

アブストラクト 私達の世界では、原子・分子、高分子、コロイド粒子、粉粒体、生体分子など、様々な「要素」が不規則な状態で凝縮し固まる。例えば、ガラスでは原子・分子が高密度でギュウギュウに詰まっているのに対して、ゲルでは高分子やコロイドが低密度でスカスカなネットワーク状に固まっている。　これまでの研究において、高密度不規則系のガラスの固体物性の理解が大きく前進し、規則的な結晶とは大きく違う物性が明らかにされてきた。結晶の弾性はアフィン変形によって記述できるのに対して、ガラスの弾性は強い非アフィン性を示す。また、結晶の分子振動はフォノンによって記述できるのに対して、ガラスの分子振動はフォノンから大きく逸脱した非フォノン振動である。これら非アフィン、非フォノンといったガラス特有の固体物性は、有効媒質理論によって説明することに成功している。　その一方で本研究は、低密度不規則系の粒子ゲル（コロイドゲル）に着目する。低密度のゲルは、ガラスとは対照的にスカスカなネットワーク構造を形成する。高密度不規則系のガラスに観測された非アフィン弾性、非フォノン振動物性は、低密度不規則系のゲルではどのような変更を受けるであろうか。セミナーでは分子シミュレーションの観測結果をもとに、粒子ゲルの固体物性を議論する。　
　
　　　[1] M. van Hecke, J. Phys.: Condens. Matter 22, 033101 (2009).
　　　[2] S. Herminghaus, Wet granular matter: a truly complex fluid. (World Scientific, 2013).
　　　[3] K. Yoshii and M. Otsuki, arXiv:2209.04709.

日時: 2022年10月19日(水) 13:00～14:30
タイトル: 濡れた粉体のジャミング転移：力学特性と空間構造
講演者: 吉井究氏 (大阪大学)
場所: B4講義室

アブストラクト 粉体をはじめとするアモルファス粒子系は，充填率の増大に伴い系の振る舞いが流体的なものから固体的なものに切り替わるジャミング転移を示す[1]．従来のジャミング転移に関する研究では，粒子間の接触による反発相互作用のみを考慮した乾いた粒子系において，剪断弾性率や体積弾性率といった力学特性や動系分布関数などの空間構造が調べられており，それらが転移点近傍でベキ的な臨界性を示すことが報告されている．しかし，現実の粉体は濡れを伴う場合が多く，そのような濡れによる引力が働く系でのジャミング転移については未解明なことが多い[2]．そこで，本研究では，一定体積の容器に封入した、濡れによる履歴に依存した引力で相互作用する粒子のシミュレーションを行い，その力学特性と粒子配置の空間構造を調べた[3]．特に，ジャミング転移点が引力によって大幅に減少するとともに、剪断弾性率と体積弾性率が，乾いた系の単純なベキ的臨界性とは定性的に異なる振る舞いを示すことを発見した．また，動径分布関数のピーク近傍の特性やボロノイセルの体積分布で特徴付けられる空間構造も，濡れの影響により乾いた系から定性的に変化することを示した．　
　
　　　[1] M. van Hecke, J. Phys.: Condens. Matter 22, 033101 (2009).
　　　[2] S. Herminghaus, Wet granular matter: a truly complex fluid. (World Scientific, 2013).
　　　[3] K. Yoshii and M. Otsuki, arXiv:2209.04709.

日時: 2022年6月15日(水) 13:00～14:30
タイトル: グラフニューラルネットワークによる静的構造からのガラス動力学の深層学習予測
講演者: 芝隼人氏 (東京大学)
場所: Zoomでの開催

アブストラクト ガラス形成液体の動力学を深層学習によって予測するアプローチが最近行われている。この中でも、グラフニューラルネットワーク (GNN) を用いると、構成粒子の動きやすさの分布や動的不均一性を他の手法を凌駕する正確さで静的構造から予測できることが、DeepMind・Google Brain のグループにより明らかにされている [1]。講演者は彼らの用いたGNNのある改良によって、一部の予測性能を　向上させることができることを見出した。この結果を、GNNの実装の詳細と併せて紹介したい [2]。　
　　　[1] V. Bapst et al. Nature Physics 16, 448 (2020).
　　　[2] H. Shiba, M. Hanai, T. Suzumura, and T. Shimokawabe, in preparation.
　

2021年度

日時: 2021年9月13日(月) 13:00～14:30
タイトル: 異方的アクティブ格子ガスにおける長距離相関とモティリティ誘起相分離
講演者: 足立景亮　氏 (理化学研究所)
場所: Zoomでの開催

アブストラクト 斥力相互作用をする自己駆動粒子モデルやアクティブ格子ガスモデルでは、自己駆動力によってモティリティ誘起相分離（MIPS）と呼ばれるマクロな相分離が生じうる。アクティブ格子ガスでは自己駆動力に空間的異方性があってもMIPSが起こりうることが知られている[1]が、異方性の効果はあまり調べられていない。本研究では、シミュレーションと理論的手法を用いて、空間的異方性がアクティブ格子ガスの多体状態に与える効果を調べた[2]。まず、無秩序相であっても、外場駆動格子ガス[3]と同様に、異方性と詳細釣り合いの破れに起因して密度の長距離相関や構造因子の特異性が現れることがわかった。また、異方的MIPSの臨界ダイナミクスは二温度格子モデルの有効Langevinモデル[3]で記述されると期待され、数値的に得られた臨界指数はこの期待と矛盾しないことがわかった。講演では、結果の一般性や生物系を使った実験的な検証方法についても議論したい。
　
　 [1] M. Kourbane-Houssene et al., Phys. Rev. Lett. 120, 268003 (2018).
　 [2] K. Adachi, K. Takasan, and K. Kawaguchi, arXiv:2008.00996v2 (Sec. III).
　 [3] B. Schmittmann and R. Zia, “Statistical Mechanics of Driven Diffusive Systems” (1995).
　

日時: 2021年9月8日(水) 14:00～15:30
タイトル: Transport Beyond Brownian Motion
講演者: Dr. Gerhard Jung (Kyoto University)
場所: Zoomでの開催

アブストラクト The Mori-Zwanzig formalism has been developed over 50 years ago and is a powerful method of statistical physics, including important applications such as molecular hydrodynamics and mode-coupling theory [1]. The heart of the Mori- Zwanzig formalism is the generalized Langevin equation, which can be derived from the microscopic equations of motion and describes the time evolution of any possible set of dynamical variables. In many cases, these variables feature transport properties beyond simple Brownian motion including history-dependent eects described by a memory kernel. This talk consists of two parts. In therst part, I will present a versatile tool to systematically reconstruct these memory kernels from computer simulations to construct dynamically-consistent non-Markovian coarse-grained models. The applicability of the technique will be highlighted using the example of frequency dependent hydrodynamic interactions in dilute colloidal suspension [2]. I will also give an outlook towards future research in non-equilibrium driven systems. In the second part, I will discuss the glass transition of dense colloidal suspensions in connement. Using confocal microscopy, computer simulations and mode-coupling theory I will show that the transport properties depend non-monotonically on the channel width [3]. This eect is induced by the intriguing layering and packing of colloids in conned geometry [4] and their influence on the mode-coupling memory kernel.
　 [1] R. Zwanzig. Nonequilibrium Statistical Mechanics. Oxford University Press (2001).
　 [2] G. Jung, M. Hanke, F. Schmid. Generalized Langevin dynamics: construction and numerical integration of non-Markovian particle-based models. Soft Matter 14, 9368 (2018).
　 [3] G. Jung, L. Schrack, T. Franosch. Tagged-particle dynamics in conned col- loidal liquids. PRE 102, 032611 (2020).
　 [4] A. Villada, G. Jung, T. Franosch, S. Egelhaaf. Layering and packing in conned colloidal suspensions. To be submitted.

2020年度

日時: 2020年8月4日(火) 13:00～15:00
タイトル: Softening and loop trajectories in granular materials under oscillatory shear
講演者: 大槻道夫氏 (大阪大基礎工)
場所: Zoomでの開催

アブストラクト Dense amorphous materials, such as granular media, colloidal suspensions, foams, and emulsions, behave as linear elastic solids with a constant shear modulus when a small shear is applied, while the shear modulus decreases under sufficiently large shear. The origin of the non-linear elasticity has been considered as the yielding transition associated with irreversible rearrangements of contact networks [1]. However, recent numerical simulations have revealed that the shear modulus decreases before yielding, which is known as softening [2]. We numerically investigate the rheological property of granular materials under oscillatory shear, and analytically find that the softening results from loop trajectories of grains [3]. We also discuss the effect of mutual friction between grains, where the softening and the loop trajectories are significantly reduced when the friction coefficient is large enough. This work is based on the collaboration with Hisao Hayakawa.
　 [1] M. Otsuki and H. Hayakawa, Phys. Rev. E 90, 042202 (2014).
　 [2] S. Dagois-Bohy, E. Somfai, B. P. Tighe, and M. van Hecke, Soft Matter 13, 9036 (2017).
　 [3] K. Nagasawa, K. Miyazaki, and T. Kawasaki, Soft Matter 15, 7557 (2019).

日時: 2020年6月10日(水) 13:00～15:00
タイトル: Multiscale modeling of brittle and ductile yielding in amorphous materials
講演者: 尾澤岬氏 (ENS Paris)
場所: Zoomでの開催

アブストラクト When a material is mechanically deformed, two different types of yielding behaviors can be observed. One is “brittle” yielding, where the sample catastrophically breaks, as a smartphone screen breaks sharply. The other one is “ductile” yielding, for which the sample deforms significantly, just like when a toothbrush slowly crushes toothpaste. It is known that a given amorphous material may show brittle or ductile yielding depending on the sample preparation history. The understanding transformation from brittle to ductile yielding behaviors is a major challenge in many fields, from material science to statistical physics. We address this problem, performing multiscale computer simulations, molecular dynamics and mesoscopic elastoplastic models, by changing the stability of the initial glassy state. We clarify the presence of critical point separating brittle and ductile yielding behaviors in various rheological settings relevant for experimental situations from the rheology of soft materials to fatigue failure in metallic glasses.

日時: 2020年5月13日(水) 13:00～15:00
タイトル: Jamming below upper critical dimension
講演者: 池田晴國氏 (東京大学)
場所: Zoomでの開催

アブストラクト Extensive numerical simulations in the past decades proved that the critical exponents of the jamming of frictionless spherical particles remain unchanged in two and three dimensions. This implies that the upper critical dimension is two or lower. In this work, we study the jamming transition below the upper critical dimension. We investigate a quasi-one-dimensional system: disks confined in a narrow channel. We show that the system is isostatic at the jamming transition point as in the case of standard jamming transition of the bulk systems in two and three dimensions. Nevertheless, the scaling of the excess contact number shows the linear scaling. Furthermore, the gap distribution remains finite even at the jamming transition point. These results are qualitatively different from those of the bulk systems in two and three dimensions.

2019年度

日時: 2019年7月16日(火) 16:00～18:00
タイトル: Active glass and polycrystal: ergodicity breaking dramatically affects response to self-propulsion
講演者: Mathieu Leocmach氏 (Université Claude Bernard Lyon 1 - CNRS, Université de Lyon)
場所: 東山キャンパス理学館　5F 506号室

アブストラクト We study experimentally a sediment of self-propelled Brownian particles with densities ranging from dilute to ergodic supercooled to nonergodic glass, to nonergodic polycrystal. We observe a dramatic slowdown of relaxation of nonergodic states when particles become weakly self-propelled. By contrast, ergodic supercooled states always relax faster with self-propulsion. Our system is a monolayer of micron-size gold-platinum Janus particles, which become active upon adding a solution of hydrogen peroxide due to self-phoretic propulsion mechanisms. We characterise the activity level in our system with an effective temperature defined from the density profile. Standard glassy physics describes well the ergodic regime provided the replacement of the ambient temperature by this effective temperature: higher temperature implies faster relaxation. However beyond the glass transition, the relaxation of the nonergodic system abruptly slows down at low but nonzero activity. As we increase further activity, the relaxation speeds up until it exceeds the passive situation. This nonmonotonic behavior cannot be described by a simple increase in temperature. The same nonmonotonic response is observed in polycrystal. To explain this phenomenon, we correlated particle displacement orientation and calculated the average length of correlated domains. This length is inversely correlated with relaxation times, with small lengths corresponding to slow relaxation. This suggests that relaxation in sufficiently active nonergodic phase follows collective motion mechanisms, while cooperative motion dominates at zero and low activities. We propose that directed motion makes cage exploration less efficient and thus slows down cooperative relaxation with respect to a passive glass.

日時: 2019年6月18日(火) 15:00～17:00
タイトル: Shear jamming and fragility in dense frictional suspensions
講演者: 瀬戸亮平氏 (北京航空航天大学)　
場所: 東山キャンパス理学館　5F 506号室

アブストラクト 固体微粒子を粘性液体中に分散させたコロイド分散体はありふれた複雑流体の1つである．粒子体積分率が高い時に，シアシックニングなどの顕著な非ニュートン性が現れ，その流動性を制御することは工業的にもしばしば課題になる．コロイド分散体の非ニュートン性は，粒子配置の熱的または力学的な緩和が遅いため，流れに依存した平均配置構造が構築されることに由来する．その極端な場合が，流動下でできた構造によって流動性が失われる shear jamming である．このような複雑流体の構成則のクラスとして「fragile matter」が1990年代後半に提案されたが，その後一般的な構成方程式の導入には至っていないようである．この研究では，構成則モデルの糸口を得るため，接触摩擦力を含めた Stokesian Dynamics-likeな数値計算を応力制御レオロジーに拡張してshear jammingのfragilityと呼ばれる性質について調べた．
Reference:
https://arxiv.org/abs/1902.04361

日時: 2019年5月28日(火) 15:00～17:00
タイトル: Divergence of Viscosity underlying Enhanced Fluctuations in 2D Glass-Forming Liquid
講演者: 芝隼人氏 (東北大学)　
場所: 東山キャンパス理学館　5F 506号室

アブストラクト If a liquid is cooled rapidly to form a glass, its structural relaxation becomes retarded, producing a drastic increase in viscosity. In two dimensions, strong long-wavelength fluctuations persist, even at low temperature, making it difficult to evaluate the microscopic structural relaxation time. In this talk, we show that relative displacement between neighbor particles (so-called cage-relative displacement) yields a relaxation time growing proportionally to the viscosity in a 2D glass-forming liquid. Furthermore, in addition to thermal elastic vibrations, diffusive relaxation of long-wavelength hydrodynamic fluctuations also affects the dynamics to yield a logarithmically divergence of diffusion coefficients in the long-time limit.

References:
H. Shiba, T. Kawasaki, and K. Kim, arXiv:1905.05458 (2019).

日時: 2019年5月21日(火) 14:00～16:00
タイトル: Glassy dynamics of a model of bacterial cytoplasm with metabolic activities [1]
講演者: 大山倫弘氏 (産総研)　
場所: 東山キャンパス理学館　5F 506号室

アブストラクト Recent experiments have revealed that cytoplasms become glassy when their metabolism is suppressed, while they maintain fluidity in a living state [2]. The mechanism of this active fluidization is not clear, especially for bacterial cytoplasms [2,3], since they lack traditional motor proteins, which can be described by conventional active matter models, self-propelled particles [4]. We introduce a model of bacterial cytoplasm focusing on the impact of conformational change in proteins due to metabolic activities. In the model, proteins are treated as particles under thermal agitation, and conformation changes are treated as changes in particle volume. Simulations revealed that only a small change in volume (~6%) fluidizes the glassy state, accompanied by a change in fragility from fragile to strong, as reported experimentally [2].

References:
[1] N. O., T. Kawasaki, H. Mizuno, A. Ikeda, arXiv: 1904.09052 (2019)
[2] K. Nishizawa et al., Sci. Rep. 7:15143 (2017)
[3] B. R. Parry et al., Cell 156, 183 (2014)
[4] M. C. Marchetti et al. Rev. Mod. Phys. (2013)

2018年度

日時: 2019年3月28日(月) 15:00～17:00
タイトル: 森-Zwanzigの射影演算子法を利用した小スケールから大スケールへの寄与の抽出とモデル化
　: Extracting/modeling the effects of small-scale on large-scale fluctuations by Mori-Zwanzig projection operator method
講演者: 前山伸也氏 (名古屋大学理学部物理学科P研)　
場所: 東山キャンパス理学館　4F 415号室

アブストラクト 森-Zwanzigの射影演算子法は非平衡統計物理の分野で開発された数理手法であり、巨視的な力学変数の支配方程式を一般化Langevin方程式の形で記述する。つまり、興味のある変数の支配方程式に対する、その他の変数の寄与を記憶関数とノイズ項として分離する。これまでにも射影演算子法を乱流モデリングに利用しようとする先行研究はあったが、小スケールでの自発的不安定性を含むようなプラズマ乱流への応用を見据えて手法の再検討をしたい。本発表では、簡単な散逸系（定常開放系）乱流の問題として蔵本-Sivashinsky方程式を例に、射影演算子法を利用して小スケールから大スケールへの寄与を抽出・モデリングする方法論を議論する。

日時: 2019年3月26日(月) 15:00～17:00
タイトル: Stress relaxation above and below the jamming transition
講演者: 齊藤国靖氏 (東北大学材料科学高等研究所)　
場所: 東山キャンパス理学館　4F 415号室

アブストラクト We numerically investigate stress relaxation in soft athermal disks to explain the critical divergence of relaxation time near the jamming transition. We observe the critical slowing down of time-dependent shear modulus when the system approaches the critical point from both above and below jamming. Interestingly, critical exponents for the relaxation time are different on both sides. The relaxational density of states, which is a key ingredient of the viscoelastic theory, also exhibits a qualitative difference; an extra slow relaxational mode emerges below jamming. Implementing the extra mode in the theory, we explain the critical exponents for the relaxation time.

This is a collaboration with Takahiro Hatano (Tokyo Univ.), Atsushi Ikeda (Tokyo Univ.), and Brian Tighe (TU Delft).

日時: 2019年3月11日(月) 15:00～17:00
タイトル: Development of the Numerical Simulation Method for Rocky Body Impacts and Theoretical Analysis of Asteroidal Shapes
講演者: 杉浦圭祐氏 (名古屋大学理学部物理TA研)　
場所: 東山キャンパス理学館　4F 415号室

アブストラクト 太陽系の火星と木星の軌道の間には多数の小惑星が存在している。小惑星は惑星形成期に存在した小天体の残滓であり、その小ささ故に溶融などの大きな変性を受けることなく生き残ってきた化石でもある。そのため小惑星の詳細な研究は太陽系の歴史を明らかにすることに繋がる。探査機「はやぶさ」によって明らかとなった小惑星イトカワの細長い形状から分かるように、小惑星は球形状に限らず様々な形状をしている。今や小惑星の光度曲線の詳細な観測により約1600個の小惑星の形状が明らかとなっている。小惑星の形状は主に小惑星同士の衝突によって形成するため、衝突速度などの衝突条件と形成される小惑星形状の関係性を明らかにすることで、小惑星の衝突史を統計的に議論することが可能である。そこで我々は、数値シミュレーションを用いて岩石小惑星の衝突を様々な衝突条件で再現し、形成される形状について包括的に調べた。我々はまず、Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) 法を弾性体力学に拡張することにより、固体天体衝突現象を取り扱うことのできる数値計算コードを開発した。弾性体SPH法には張力優勢領域で数値不安定性が起きるという問題が存在するため、我々は Inutsuka (2002) のゴドノフSPH法の知見を基にしてこの数値不安定性を解決する新しい手法を確立した。また岩石の衝突破壊及び重力による再集積を再現するため、自己重力、岩石の破壊モデル (Benz and Asphaug 1995)、粉々になった岩石間の摩擦モデル (Jutzi 2015) を導入した。さらに高解像度計算を行うため、理化学研究所が開発したFramework for Developing Particle Simulator (Iwasawa et al. 2015, 2016) を利用して計算コードの並列化を行い、スーパーコンピュータを用いた大規模並列計算及び広範囲のパラメータサーベイを可能とした。我々は次に、直径100km以上の実際の小惑星の形状と比較するため、開発した計算コードを用いて直径100kmの岩石ターゲット天体への衝突シミュレーションを実行した。惑星形成期に実現される数100m/sの衝突速度で数値計算を行ったところ、主に破壊的ではない衝突が起きた。特に等しい質量の天体同士の衝突では短軸/長軸比が0.4程度の極めて平たい形状を含む様々な形状を持つ最大集積天体が形成されることを確認した。一方、現在の太陽系で実現される数km/sの衝突速度で数値計算を行ったところ、主に大規模破壊が起きた。この場合、細かい集積天体の形状まで詳細に調べても短軸/中間軸比が0.6以上の丸い形状か頭が2つあるような形状しか形成されないことがわかった。さらに光度曲線の観測から得られた直径100km以上の実際の小惑星の形状を調べたところ、最近の大規模破壊の影響を受けた小惑星族に含まれる小惑星に短軸/長軸比が0.6以下の平たい形状を持つものはいないが、大規模破壊を経験していないと考えられる小惑星にはそのような平たい形状を持つものがいることを明らかにした。我々は以上の計算結果から、小惑星の平たい形状は脱出速度程度の低速度で質量が近い天体同士の衝突で形成された可能性が高いことを示した。また直径100km以上の実際に存在する小惑星の形状を調べた結果、最近の大規模破壊では平たい小惑星を形成することは難しいことを示した。以上の検討から我々は、直径100km以上で平たい小惑星形状は惑星形成期に形成され現在まで生き残ってきたものであると結論づけた。

日時: 2019年2月26日(火) 15:00～17:00
タイトル: Dynamic and thermodynamic crossovers on the way to glass formation
講演者: Daniele Coslovich氏 (Université de Montpellier)　
場所: 東山キャンパス理学館　4F 415号室

アブストラクト I will introduce the phenomenology associated to dynamic and thermodynamic crossovers in glass-forming liquids and discuss a few theoretical scenarios that have been proposed to account for them. The relevance of these scenarios will be tested against recent simulation data based on efficient computational techniques (parallel tempering, swap Monta Carlo).

日時: 2018年8月8日(水) 14:30～16:30
タイトル: Random critical point separates brittle and ductile yielding transitions in amorphous materials
講演者: 尾澤岬氏 (モンペリエ大学)　
場所: 東山キャンパス理学館　4F 415号室

アブストラクト Understanding how amorphous solids such glasses yield or break in response to external deformations is crucial both for practical applications and for theoretical reasons. Here we show that despite large differences in the materials’ microscopic interactions, a degree of universality emerges as there are only two ways in which amorphous solids respond to a deformation: One, typical of well-annealed materials such as metallic glasses, is characterized by an abrupt failure with a macroscopic stress drop and the sudden emergence of sharp shear bands; the other, typical of poorly annealed materials such as colloidal glasses, shows merely a smooth crossover. By varying the preparation protocol, one can change the response of a given material from one to the other, and this change is controlled by a random critical point.

日時: 2018年6月26日(火) 13:30～15:30
タイトル: Glassy origins in colloidal suspensions: gel elasticity and suspension creep
講演者: Dr. Lilian Hsiao　(North Carolina State University, USA)
場所: 東山キャンパス理学館　4F 415号室

アブストラクト Colloidal glasses are well known to exhibit structural and dynamical heterogeneities due to caging effects from nearest neighbors. Recent experimental work from our group suggests that localized glassy behavior can be used to explain the linear and nonlinear rheology of low density colloidal gels, in addition to creep and recovery behavior of densely packed frictional colloids. In the first part of my talk, I will discuss possible explanations for the emergence of linear and nonlinear elasticity attraction-driven colloidal gels by incorporating concepts of localized rigidity and glassy clusters into the Cauchy-Born theory of elasticity. In the second part of my talk, I will describe recent efforts in measuring the creep and recovery of dense suspensions containing rough particles. Specifically, we find that suspensions of rough colloids at ϕ = 0.49 exhibits the same type of linear viscoelasticity, transient strain jumps, and irrecoverable strain as that of a colloidal glass consisting of smooth particles (ϕ = 0.59). Our observations suggest that roughness shifts the colloidal glass transition to lower volume fractions. A possible mechanism is that the rough colloids retains stress in dense suspensions because of their resistance to tangential relaxation.

2017年度

日時: 2018年1月24日(月) 14:30～16:30
タイトル: 星間媒質の進化と相構造
講演者: 井上　剛志氏 (名古屋大学理学部　物理TA研)
場所: 東山キャンパス理学部C棟　2F C213号室

アブストラクト 星間媒質とは宇宙の基本単位である銀河の中で星々の間に存在する希薄な水素ガスの総称である。星間媒質は輻射を介した加熱冷却が有効な開放系であり、それ故に空気のような流体とは異なる熱的な相構造を持つ。本セミナーではそのような特殊な媒質の進化過程を宇宙の物質進化の観点と絡めて紹介する。

日時: 2017年12月11日(月) 14:00～16:00
タイトル: 非平衡状態におけるいくつかのトレードオフ関係
講演者: 斎藤　圭司氏 (慶應義塾大学理工学部)
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト 非平衡熱力学を考える上で、多くを学べる舞台として、熱機関とメゾスコピック電流系がある。電流が対象であっても熱電効果を考えると後者は熱機関ととらえることができる。近年、熱機関における考察が様々な分野で研究されているなか、我々は熱効率やパワーにおけるシンプルなトレードオフ関係式を導いてきた。また、ながれのゆらぎ度合いの指標であるファノ因子と呼ばれる物理量と、エントロピー生成に関しても一種のトレードオフがあると考えられてきており、活発に議論が行われている。これらに共通する数理構造を見出し、あらたな熱力学関係を模索する試みを紹介する。

日時: 2017年11月27日（月）13:30-15:30
タイトル: A possible approach to unify the disparate theories of the glass transition
講演者: C. Patrick Royall 氏 (Bristol University)
場所: 東山キャンパス理学館3F 313号室

アブストラクト Our understanding of the mechanism by which the viscosity of supercooled liquids increase by many decades is hampered by the difficulty in discriminating apparently incompatible theoretical approaches. The challenge lies in equilibrating samples at sufficient supercooling that experimental or numerical techniques can probe suitable quantities that enable the theories to be discriminated, or by directly testing the theories. Recently, considerable progress has been made in obtaining data which can help to discriminate such theories, in both molecular experiments and simulation [1]. Much of these new data tend to support theories which imagine a thermodynamic origin of the glass transition - in contrast to a predominately dynamic one. Of the thermodynamic theories, we begin by probing the predictions of the geometric frustration theory of the glass transition [2]. Nevertheless, plenty of compelling evidence in support of dynamic facilitation (which posits that the glass transition is driven by a dynamical phase transition) exists [3], which we have shown can be accessed in experiments [4]. Here we present new results, which use novel techniques to obtain very deeply supercooled configurations in an atomistic model glassformer. These naturally lend themselves to a determination of the dynamical phase transition of facilitation. Consistent with results on certain lattice models [5], we find that the dynamical phase transition has a lower temperature bound, which we interpret as a critical point. Now our deeply supercooled configurations also give access to the configurational entropy, from which we can locate the Kauzmann temperature. Remarkably, within the accuracy of our approach, this point where the thermodynamic theories suggest a phase transition lies at the same temperature as the lower critical point of the dynamical transition. We suggest that our findings may lead to a path to reconcile the competing thermodynamic and dynamic interpretations of the glass transition [6].
[1] Royall, C. P.; Turci, F.; Tatsumi, S.; Russo, J. & Robinson, J. "The race to the bottom: approaching the ideal glass?", ArXiV, 1711.04739 (2017).
[2] Turci, F.; Tarjus, G. & Royall, C. P. "From Glass Formation to Icosahedral Ordering by Curving Three-Dimensional Space", Phys. Rev. Lett., 118, 215501 (2017).
[3] Speck, T.; Malins, A. & Royall, C. P. "First-Order Phase Transition in a Model Glass Former: Coupling of Local Structure and Dynamics" Phys. Rev. Lett. 109, 195703 (2012).
[4] Pinchaipat, R.; Campo, M.; Turci, F.; Hallet, J.; Speck, T. & Royall, C. P. "Experimental Evidence for a Structural-Dynamical Transition in Trajectory Space" Phys. Rev. Lett., 119, 028004 (2017).
[5] Turner, R. M.; Jack, R. L. & Garrahan, J. P. Overlap and activity glass transitions in plaquette spin models with hierarchical dynamics Phys. Rev. E, 92, 022115 (2015).
[6] Turci, F.; Royall, C. P. & Speck, T. Non-Equilibrium Phase Transition in an Atomistic Glassformer: the Connection to Thermodynamics Phys. Rev. X, 7 031028 (2017).

日時: 2017年11月17日（金）13:30-15:30
タイトル: Shear banding and annealing near the yielding transition in amorphous solids under oscillatory shear deformation
講演者: Srikanth Sastry 氏（Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research, India）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト Periodically driven atomic and colloidal glasses have been studied in simulations and experiments to understand the nature and significance of a non-equilibrium transition from localised to diffusive states they are found to exhibit, and for the insights it provides on the yielding behaviour of glasses. We perform simulations of cyclic shear deformation of a model amorphous solid. Steady states are achieved by subjecting the samples to a large number of cycles of deformation. With an increase of strain amplitude, a sharp transition is found between localised and diffusive states. The size distributions of plastic deformation events, or avalanches, as functions of strain amplitude demonstrate that below the critical transition amplitude there is no system size dependence while above the yield strain, the mean size of avalanches grows with system size. Thus, cyclic shear deformation offers an appealing approach to elucidating the nature of the yielding transition. The spatial distribution of plastic events leading to yielding behaviour both as the number of cycles and the strain amplitude is increased reveals interesting behaviour that elucidates the role of shear bands in the yielding process. For amplitudes below the yielding amplitude, plastic rearrangements are uncorrelated and spatially uniformly distributed. For amplitudes above yielding, initial, spatially uncorrelated plastic events organise as the number of cycles increase into clearly defined shear bands, whose width increases as the deformation amplitude is increased above the yielding value. Below yielding, the studied glasses exhibit pronounced annealing effects as the yielding transition is approached. Such annealing effects are probed at finite shear rates and temperatures. Details of these processes, and what they reveal about the role of shear bands in yielding behaviour in amorphous solids, will be discussed.
REFERENCES
1. D. Fiocco, G. Foffi and S. Sastry, Phys. Rev. E. 88, 020301(R) (2013).
2. P. Leishangthem, A. D. S. Parmar, and S. Sastry, Nat. Commun. 8, 14653 (2017).

日時: 2017年11月15日（水）14:30-16:30
タイトル: ミュオンスピン緩和法と高分子ダイナミクス
講演者: 竹下聡史氏（高エネルギー加速器研究機構　物質構造科学研究所）
場所: 東山キャンパス理学館3F 311号室

アブストラクト 高分子材料における力学特性の理解や特性制御の鍵となるガラス転移についての知見を得る上で、階層的で広い周波数領域にわたる分子ダイナミクスを観測する事は極めて重要である。しかし、この広い周波数領域を単一の手法で観測する事は難しく、全体像を理解するには複数の手段を組み合わせる必要がある。ミュオンスピン緩和法はMHz～GHz帯におけるダイナミクスを観測可能な微視的実験手法である。素粒子ミュオンのスピンをプローブとする手法で核磁気共鳴等と類似の手法であり、試料に打ち込んだミュオンが停止する周辺（数nm程度）の局所的な分子ダイナミクスの情報が得られると期待できる。我々は高分子におけるダイナミクスを観測するため、単純な化学構造で構成されるポリブタジエンに着目し、室温からガラス転移を経て低温にわたるまでのミュオンスピン緩和測定を行った。その結果、GHz～MHzの時間領域でゆらぎを示す成分と、（ミュオンスピン緩和法の観測時間窓から見て）運動が静止している成分とが空間的に分離した状態で存在する様子が観測された。また、静止成分の割合は温度の低下と共に増加する事も明らかとなり、ガラス転移で議論されている動的不均一性との関連について興味がもたれる結果が得られた。

日時: 2017年10月11日（水）14:30-16:30
タイトル: パッチコロイドの多彩なガラス転移：レプリカ液体論による解析
講演者: 吉野元氏（大阪大学サイバーメディアセンター）
場所: 東山キャンパス理学館4F 415号室

アブストラクト 我々は並進自由度と回転自由度を併せ持つ最も単純な系、軸対称なコロイド粒子・分子からなる液体のガラス転移に関する平均場理論を構成した[1]。これは剛体球系の平均場理論[2]の自然な拡張になっていて、高次元極限で厳密である。セミナーではこれを用いてパッチコロイドのガラス転移を解析した結果を議論する。パッチコロイド系は、ある種の表面加工を施したパッチ状の領域を表面の一部にもつコロイド粒子の集まりで、剛体球的な斥力相互作用に加え、パッチ同士の接触による引力相互作用を持つ。この系を、1および2-パッチの場合について解析した結果、リエントラント転移や引力ガラス-斥力ガラス転移が現れること、ある条件下では並進自由度と回転自由度のガラス転移が分裂することを見出した。これらは単純な引力コロイド[3]、剛体楕円体やダンベル粒子[4]におけるモード結合理論の結果と調和的である。さらに、並進と回転自由度におけるリエントラント転移の定性的な違い、引力ガラス状態における回転自由度のヒステリシスなどを新たに見出した。
[1] H. Yoshino,arXiv:1704.01216
[2] P. Charbonneau, J. Kurchan, G. Parisi, P. Urbani, and F. Zamponi, Nature communications 5 (2014).
[3] J. Bergenholtz and M. Fuchs, Physical Review E 59.5, 5706 (1999). L. Fabbian, W. Götze, F. Sciortino,P. Tartaglia & F. Thiery, Phys. Rev. E 59(2) R1347 (1999).
[4] M. Letz, R. Schilling and A. Latz, Phys. Rev. E 62 5173 (2000), S. H. Chong and W. Götze, Phys. Rev. E 65, 041503 (2002).

日時: 2017年9月7日（木）15:30-17:30
タイトル: Activity-induced strong glasses in living cells studied with feedback tracking microrheology
講演者: 水野大介氏・西澤賢治氏（九州大学大学院理学研究院物理学部門）
場所: 東山キャンパス理学館4F 415号室

アブストラクト Physiological processes in cells are performed efficiently without getting jammed although cytoplasm is highly crowded with various macromolecules. Elucidating the physical machinery is challenging because the interior of a cell is so complex and driven far from equilibrium by metabolic activities. We therefore studied the mechanics of in vitro and living cytoplasm using novel particle-tracking and manipulation technique. Specifically, we developed a method to track microscopic probes stably in cells in the presence of vigorous cytoplasmic fluctuations, by employing smooth 3D feedback of a piezo-actuated sample stage. The molecular crowding effect on cytoplasmic mechanics was selectively studied by preparing simple in vitro models of cytoplasm from which both the metabolism and cytoskeletons were removed. We obtained direct evidence of the cytoplasmic glass transition; a dramatic increase in viscosity upon crowding quantitatively conformed to the super-Arrhenius formula, which is typical for fragile colloidal suspensions close to jamming. Furthermore, the glass-forming behaviors were found to be universally conserved in all the cytoplasm samples that originated from different species and developmental stages; they showed the same tendency for diverging at the macromolecule concentrations relevant for living cells.
< living cells >
Notably, such fragile behavior disappeared in metabolically active living cells whose viscosity showed a genuine Arrhenius increase as in typical strong glass formers. Glasses are fragile when their components cannot individually relax local frustrations in their arrangements; fragile glasses are therefore heterogeneous in their dynamics. Being actively driven by metabolism, the living cytoplasm forms glass that is fundamentally different from that of its non-living counterpart. In living cytoplasm (strong glass former), athermal forces are generated by e.g. motor proteins as we quantify with the violation of fluctuation-dissipation theorem. This athermal forces can activate the local structural relaxations which could not occur spontaneously in in vitro cytoplasm. We speculate that such active mixing can erase the origin of cytoplasmic fragility (dynamic heterogeneity), and thus convert fragile cytoplasm to strong glass formers.
< ATP depleted cells >
In order to directly observe the consequence of active mixing on the mechanics of living cells, it is crucial to tune their metabolic activity. We therefore performed microrheology in cells whose ATP was depleted by adding NaN3 and 2-Deoxy-D-Glucouse to the culture media. ATP depleted cells cannot fuel motor proteins and other mechano-enzymes, and thus loses mechanical activity. Indeed, we found that ATP depleted cells decreased non-thermal fluctuations and they became more elastic accordingly, presumably due to glass transition. We believe that this is the clear indication that athermal forces in metabolically active cells fluidize their crowded interior.

日時: 2017年8月29日（火）10:30-12:30
タイトル: Mechanical response of ultrastable glasses
講演者: 尾澤岬氏（Laboratoire Charles Coulomb, Universite de Montpellier）
場所: 東山キャンパス理学館4F 415号室

アブストラクト Mechanical response of amorphous solids is a fundamental research topic in glass science. Whereas amorphous solids respond elastically to a small strain (or stress), the system eventually yields at a large strain, showing plastic response. Although amorphous solids such as glasses are ubiquitous and relevant for industrial applications, understanding of mechanical response is still poor. Computer simulations play an important role in this field, since they are able to provide atomic resolution of mechanical response of glasses. However, there are huge gaps in the accessible timescales between ordinary computer simulations and experiments in terms of glass preparation (e.g. cooling rate) and timescale of deformation (e.g. strain rate). Timescale of current computer simulations are about 10 orders of magnitudes smaller, behind as compared to that of experiments, which makes possible studies of poorly annealed glasses with very large strain rate. For the strain rate, one can overcome the timescale gap by using the athermal quasi-static shear (zero strain rate limit) method which neglects thermal fluctuations [1]. However, fast cooling rate of ordinary simulations still prevents us from studying glasses in experimental condition. Recently, we have developed very efficient simulation setup using particle swap Monte-Carlo algorithm with size polydisperse particles [2, 3]. By applying this setup for a realistic glass-forming system with a continuous potential in three dimensions, we produce very well-annealed glasses whose cooling rate is even slower than experiments, that is ultrastable glasses. We perform athermal quasi-static shear deformation on these systems. Aim of this work is to establish the first simulation study of mechanical response of glasses in and beyond experimental timescales in both cooling and strain rates. Our athermal quasi-static shear simulation of the ultrastable glasses show qualitatively different behaviors from ordinary computer glasses. The stress-strain curve of the ultrastable glasses show very big stress overshoot and sharp yielding, which corresponds to shear band spanning entire sample. With the help of the finite size scaling, we unambiguously determine the yielding transition point at the thermodynamic limit.
REFERENCES
1. Maloney, C E. and Lemaitre, A., Amorphous systems in athermal, quasistatic shear, Phys. Rev. E, 74, 016118 (2006).
2. Berthier, L., Coslovich, D., Ninarello, A., and Ozawa, M., Equilibrium Sampling of Hard Spheres up to the Jamming Density and Beyond, Phys. Rev. Lett., 116, 238002 (2016).
3. Ninarello, A., Berthier, L., and Coslovich, D., Models and algorithms for the next generation of glass transition studies, Phys. Rev. X, 7, 021039 (2017).

日時: 2017年8月29日（火）14:00-16:00　
タイトル: Kinetic rule dependence of the slow dynamics of the supercooled liquids
講演者: 池田晴國氏（Laboratoire de Physique Théorique, Ecole Normale Supérieure）
場所: 東山キャンパス理学館4F 415号室

アブストラクト Supercooled liquids exhibit a dramatic slowing down upon decreasing the temperature, and eventually freeze without any structural changes. This is the so-called glass transition. The physical mechanism behind the glass transition is still unclear. One of the most fascinating theories to explain the glass transition is the so-called replica liquid theory (RLT) which identifies the glass transition with the one-step replica symmetric phase transition (1RSB) observed in some mean-field spin glass models [1] and in the infinite-dimensional limit of particle systems [2]. Since the pioneering work by Kirkpatrick, Thirumalai, and Wolynes in 1989 [1], a lot of efforts have been made to justify the theory and some numerical simulations indeed succeed to capture the thermodynamic signatures related to the 1RSB [3]. However, even if a 1RSB transition exists, it is not yet fully understood whether the slow dynamics observed in real supercooled liquids is related to such thermodynamic transition. In this study, we reformulate the RLT to clarify the relation between slow dynamics and a 1RSB transition. We apply the theory to a mean-field model of the glass transition and calculate the glass transition point. Based on this analysis, we argue that, for some class of glassy materials, the slow dynamics is sensitive to the kinetic constrains induced by particle exchange. The details of our arguments are the following. First, we extend the original RLT so as to allow exchange of particles species even in a glassy state, which is motivated by recent observation obtained by Monte Carlo simulation with particle swap [4]. Using this theory, we show that there is a new glassy state which is thermodynamically more stable than that obtained by the conventional RLT. We argue that realistic algorithms without particle exchange hardly access this stable glass state because of a kinetic constraints that forbids particle exchange. This suggests that the slow dynamics observed in some supercooled liquids is a consequence of this kinetic constraint.
[1] TR. Kirkpatrick, D. Thirumalai, and, PG. Wolynes, Phys. Rev. A, 40, 1045 (1989)
[2] G. Parisi and F. Zamponi, Rev. Mod. Phys., 82, 289 (2010)
[3] G. Biroli et. al, Nat. Phys. 4, 771 (2008), S. Karmakar and G. Parisi, PNAS, 110(8), 2752 (2012), W. Kob and L. Berthier, 110, 245702 (2013), M. Ozawa et. al., PNAS, 112(22), 6914 (2015)
[4] A. Ninarello, L. Berthier, and, D. Coslovich, Phys. Rev. X, 7, 021039 (2017)

日時: 2017年8月4日（金）14:30-16:30
タイトル: 周期的な剪断を受けた摩擦粒子系でのジャミング転移：摩擦による不連続転移の発生とShear Jamming
講演者: 大槻　道夫氏（島根大学大学院総合理工学研究科）
場所: 東山キャンパス理学館4F 415号室

アブストラクト 粉体やコロイドなどのアモルファス粒子系は、その充填率が転移点以下の場合は流体的に振る舞う一方、転移点を超えると剛性率を伴うある種の固体的な状態へ変化する。このような転移はジャミング転移と呼ばれ、転移点近傍で様々な臨界的性質があらわれることが知られている[1]。近年ではその剛性率について、有限の歪みによる粒子間ネットワークの雪崩的な崩壊の影響が議論されている[2]。　従来の転移点近傍での剛性率の研究では、粒子間摩擦を無視したモデルが主に使われていたが、今回、我々は粒子間摩擦が剛性率の臨界性に与える影響を系統的に調べてみた。特にその顕著な影響として、摩擦がない場合に剛性率は連続転移を示す一方、僅かな摩擦の導入で剛性率が不連続転移を示すことを発見した。また、その非線形応答領域の振る舞いも含めて、粒子間摩擦のクーロン則に基づいたスケーリング則を導入し、その振る舞いが記述できることを示した[3]。　また、我々は摩擦粒子系において、初期に周期的な剪断を加えた場合、その後に計測した剛性率や圧力が初期剪断の大きさで劇的に変化することを発見した。特に、初期剪断を加えない場合には剛性なしの流体的な状態にある低充填率であっても、ある程度大きな初期剪断を加えることで有限の剛性率と圧力を持つ固体的な状態に変化することを発見した。こうした剪断変形の導入による固体的な状態への変化はShear Jammingと呼ばれ、近年になって大きな注目を集めている[4]。本講演では、今回発見したShear Jammingについて、粒子間ネットワークの異方的な発達やShear thickeningとの関連についても議論する予定である。参考文献 [1] M. van Hecke, J. Phys.: Condens. Matter 22, 033101 (2009). [2] M. Otsuki and H. Hayakawa, Phys. Rev. E 90, 042202 (2014). [3] M. Otsuki and H. Hayakawa, Phys. Rev. E 95, 062902 (2017). [4] D. Bi, J. Zhang, B. Chakraborty, and R. Behringer, Nature (London)

日時: 2017年6月7日（水）14:30-16:30
タイトル: Crystallisation instability in a model atomistic glassformer
講演者: Trond S. Ingebrigtsen （Institute of Industrial Science, University of Tokyo）
場所: 東山キャンパス理学館4F 415号室

アブストラクト A glass is formed when rapidly cooling a liquid and produces an amorphous solid. However, glass formation is obstructed if crystallization takes place as the liquid is cooled. A standard computer model for glass formation is the Kob-Andersen (KA) binary Lennard-Jones mixture and was proposed as a very simple model for a metallic liquid. We detail in this study that the KA model possesses an inherent flaw that unfortunately makes this model prone to crystallization and not as good a glass former as is commonly believed. More specifically, we find that the KA model gives rise to A-particle-rich composition fluctuations in the supercooled liquid. These fluctuations ultimately lead to a single-component-like crystallization kinetics and seals the fate of this model system (see figure below). We expect our results not only to be relevant for binary metallic glassformers but also to mixtures with several components.

日時: 2017年5月10日（水）14:30-16:30
タイトル: A UNIFIED STUDY OF PLASTICITY, YIELDING, MELTING AND JAMMING IN THREE-DIMENSIONAL HARD SPHERE GLASSES
講演者: YULIANG JIN（大阪大学サイバーメディアセンター）
場所: 東山キャンパス理学館4F 415号室

アブストラクト For amorphous solids, it has been intensely debated whether the traditional view on solids, in terms of the ground state and harmonic low energy excitations on top of it, such as phonons, is still valid. Recent theoretical developments of amorphous solids revealed the possibility of unexpectedly complex free energy landscapes where the simple harmonic picture breaks down [1, 2]. Here we demonstrate that standard rheological techniques, i.e., shear protocols, can be used as powerful tools to examine non-trivial consequences of such complex free energy landscapes [3]. By extensive numerical simulations on a hard sphere glass under quasi-static shear at finite temperatures, we show that, above the so-called Gardner transition density, the elasticity breaks down, the stress relaxation exhibits slow and aging dynamics, and the apparent shear modulus becomes protocol-dependent. We further discuss the behaviour of three-dimensional hard sphere glass under compression annealing, decompression heating, and shearing. Our study aims at establishing a unified framework of plasticity, yielding, melting, and jamming of simple amorphous solids, and providing some insights into the nature of these phenomena. Finally, we compare our numerical results to the mean-field theoretical predictions [4].
References
[1] P. Charbonneau, J. Kurchan, G. Parisi, P. Urbani, and F. Zamponi, Fractal free energy landscapes in structural glasses, Nat. Commun. 5, 3725 (2014).
[2] L. Berthier, P. Charbonneau, Y. Jin, G. Parisi, B. Seoane, and F. Zamponi, Growing timescales and lengthscales characterizing vibrations of amorphous solids, PNAS 113, 8397 (2016).
[3] Y. Jin and H. Yoshino, Exploring the complex free-energy landscape of the simplest glass by rheology, Nat. Commun. 8, 14935 (2017).
[4] P. Urbani and F. Zamponi, Shear yielding and shear jamming of dense hard sphere glasses, Phys. Rev. Lett. 118, 038001 (2017).

日時: 2017年4月24日（月）15:00-17:00
タイトル: アモルファス固体の連続体極限における振動特性
講演者: 水野英如（東京大学大学院総合文化研究科）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト アモルファス固体の低周波数振動特性あるいは低温熱物性は、結晶のそれと比べて著しく異なる。これは直観に反するものである。なぜなら、結晶であろうとアモルファス固体であろうと、固体は連続体極限においては弾性体として振る舞うと期待でき、従って、結晶もアモルファス固体もともにフォノンに基づくデバイ則に従うと期待できるからである。この問題を解決するために、いくつかの現象論的な説明が提案されてきた。それらの中には、弾性不均一性を基盤とするもの、ソフトローカライズモードから説明するものなどがある。その一方で近年、微視的な立場から出発する平均場理論が急速に発展している。興味深いことに、この平均場理論はノンデバイ・スケーリング則を予測する。これらの理論発展を受けて、低周波数域における振動特性を直接観測することが強く求められている。そこで、我々はコンピュータ・シミュレーションを用いて、アモルファス固体の低周波数・振動モードの直接観測を試みた。極低周波数領域にアクセスするために、100万粒子規模のシステムを用いた超大規模振動解析を実行した。我々の数値結果は、低周波数域では平均場理論が予測するノンデバイ・スケーリング則が破綻し、代わりにデバイ則に従うフォノンと別のノンデバイ・スケーリング則に従うソフトローカライズモードが混在していることを明らかにした。
Referece: H.Mizuno, H.Shiba, A.Ikeda, arXiv:1703.10004 (2017).

2016年度

日時: 2017年2月23日（木）14:30-16:30
タイトル: 強誘電体、リラクサー、反強誘電体のソフトマター物理学
講演者: 高江　恭平氏（東京大学生産技術研究所）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト 強誘電性は、無機酸化物結晶、有機物結晶、高分子および液晶において広く観測される性質であり、その誘電応答や、電気力学応答などの交差応答が基礎・応用両面で重要な研究対象となっている。そのような強誘電体に乱れを混入することで、物質の誘電的性質が大きく変わることがある。特にリラクサーと呼ばれる状態では、誘電率が広いピークを持ち、また顕著な周波数分散を示すことが知られている。そこでは、ナノスケールの秩序領域（polar nanoregionと呼ばれる）が、不均一に存在することが重要であると考えられているが、その機構は未だ明らかではない[1]。我々はそれらの特異なふるまいを示す単純なモデルを考案し、明確な物理的描像を得ることを目的とした。電気双極子をもつ楕円体粒子と、不純物として双極子を持たない球とを混合した系をモデルとして考える[2]。液体状態から出発し徐々に冷却していくと、まず不純物が不均一に分布した状態で結晶化し、分極秩序は生じない（常誘電結晶）。さらに低温に冷やしていくと、不純物濃度が低いときには強誘電秩序が発現するが、不純物濃度を増していくと、マクロな秩序は生じず、代わりにナノスケールの秩序領域(polar nanoregion)が不均一に存在することを発見した。そこでは不均一に分布した不純物(chemical quenched disorder)が分極秩序を妨げており、polar nanoregionの形状や大きさを決めていることが明らかになった。また系の電場応答とその周波数依存性を調べ、リラクサー的な誘電分散、および、ナノドメインの協同運動に起因する、ヒステリシスを伴う分極・ひずみの応答が得られた。最後に反強誘電体について議論する。反強誘電相転移を起こす条件や動力学について、構造変化や熱力学的性質に焦点をあて論ずる。 ref. [1] K. Hirota, S. Wakimoto, and D. E. Cox, J. Phys. Soc. Jpn. 75, 111006 (2006). [2] K. Takae and A. Onuki, arXiv:1702.01577.

日時: 2017年1月11日（水）14:30-16:30
タイトル: Nernst-like effect in low-dimensional heat transport phenomena
講演者: 玉木脩二氏（慶應義塾大学理工学部）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト カーボンナノチューブや高分子鎖、またグラフェンなどの低次元物質では、熱伝導度が異常になることが理論的も実験的にも報告されている。そのような異常性を利用して、熱を制御する試みも盛んになりつつある。例えば、大きな熱伝導度を利用してカーボンナノチューブをヒートシンクの材料に利用するなどが挙げられる。また熱に関するダイオードやトランジスタ作成に向けた理論と実験の基礎的研究も盛んになっている。　このような背景から、熱をともなう基礎的なダイナミスを理論的に整理することは、学問上のみならず、応用上も重要になってきている。本セミナーでは、特に高分子などの低次元物質において、磁場が熱力学的な挙動に与える影響を報告する。特に、非線形かつ非平衡系ではじめて現れる現象を説明したい。例えば、磁場による形状の変化などが例になる。オンサーガー展開を使った理論的な解析も報告する。また、熱制御の原理にもなり得る非直感的な逆効果なども報告したい。この研究は、齊藤圭司氏との共同研究である。

日時: 2016年12月21日（水）14:30-16:30
タイトル: Anomalous phonon scattering and elastic correlations in amorphous solids
講演者: Anaël Lemaître氏（Laboratoire Navier）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト A major issue in materials science is why glasses present low-temperature thermal and vibrational properties that sharply differ from those of crystals. In particular, long-wavelength phonons are considerably more damped in glasses, yet it remains unclear how structural disorder at atomic scales affects such a macroscopic phenomenon. A plausible explanation is that phonons are scattered by local elastic heterogeneities that are essentially uncorrelated in space, a scenario known as Rayleigh scattering, which predicts that the damping of acoustic phonons scales with wavenumber k as k^{d+1} (in dimension d). Here we demonstrate that phonon damping scales instead as −k^{d+1} ln k, with this logarithmic enhancement originating from long-range spatial correlations of elastic disorder caused by similar stress correlations. Our work suggests that the presence of long-range spatial correlations of local stress and elasticity may well be the crucial feature that distinguishes amorphous solids from crystals.

日時: 2016年12月16日（金）10:30-12:00
タイトル: Kinetic theory of discontinuous shear thickening for dilute gases
講演者: 早川　尚男氏（京都大学基礎物理学研究所）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト Shear thickening is the process that the viscosity increases as the shear rate increases. A drastic discontinuous shear thickening (DST) can be observed in dense suspensions such as cornstarch in water. DSTs are also used in industrial applications, e. g. body armor and traction control. DST has attracted much interesting not only by engineers but also by physicists in these days mainly from experimental and numerical sides [1,2]. Nevertheless, the theoretical understanding of the mechanism of DST is still poor. Therefore, in this talk, as an extension of our theoretical work [3], I analyze an idealistic DST system exhibiting a DST in which a dilute gas is suspended in a background fluid but the hydrodynamic interaction among gas particles ignored. From the analysis of the Boltzmann equation, we obtain a S-shape flow curve between the viscosity and the shear rate, which exhibits crossover from Newtonian to Bagnold for inelastic collisions, or crossover from Newtonian to the viscosity proportional to the square of the shear rate. The existence of this S-shape flow curve ensures the occurrence of a DST. The validity of our theory is verified by the event-driven Langevin simulation for hard core particles [4], in which the theoretical results perfectly agree with the simulation results without any fitting parameters [5]. I will also discuss how the theory is applied to more realistic complicated suspension.
References:
[1] E. Brown and H. M. Jeager, Rep. Prog. Phys. 77, 040602 (2014), C. D. Cwalina and N. J.Wagner, J. Rheol. 58, 949 (2014), E. Brown, N. A. Forman, C. S. Orellana, H. Zhang, B, W. Maynor, D. E. Betts, J. M. DeShimone and H. M. Jaeger, Nature Mat. 9, 220 (2010). D Bi, J Zhang, B Chakraborty, RP Behringer, Nature 480, 355 (2011).
[2] M. Otsuki and H. Hayakawa, Phys. Rev. E 83, 051301 (2011), R. Seto, R. Mari, J. F. Morris, and M. M. Denn, Phys. Rev. Lett. 111, 218301 (2013), T. Kawasaki, A. Ikeda and L. Berthier, EPL 107, 28009 (2014).
[3] H. Hayakawa and S. Takada, arXiv:1610.06443v1.
[4] A. Scala, Phys. Rev. E 86, 026709 (2012).
[5] H. Hayakawa and S. Takada, arXiv:1611.07295v1.

日時: 2016年12月14日（水）15:00-17:00
タイトル: トラップモデルにおけるエルゴード性とサンプル依存性
講演者: 秋元　琢磨氏（慶應義塾大学理工学部）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト エルゴード的な系では、単一の軌道に対して、時間平均により得られる観測量は時間無限大の極限で一定値に収束する。特に、平衡系では、この一定値は、初期状態には依存せず、平衡分布による平均値と一致する。したがって、同じ条件の下で観測すれば、観測結果は不変である。つまり、エルゴード的な系は再現性を持つ。本講演では、均質な媒質ではなく、局所的な拡散性が不均一な場合、長時間の観測により得られる拡散性はサンプル（不均質さの分布の仕方は同じにして実現された環境）に依存するか？という基礎的な疑問に答えたい。素朴に考えると、系のサイズが有限であるが十分に大きければ、観測結果は、局所的な拡散性を全体で平した平均的な振る舞いになると予想される。数学的には、大数の法則がこの予想を示唆している。ここでは、不均質な系のモデルとして、時間的に変化しないランダムなポテンシャルエネルギー空間上のランダムウォーク（トラップモデル）を考える。系のサイズが有限であるとき、系はエルゴード的であり、時間平均で定義された平均２乗変位は再現性を持つが、ある温度（ガラス温度）以下では、たとえ系のサイズを大きくしても、同じ値には収束せず、不均質さのサンプルに強く依存する（サンプルのゆらぎに起因して拡散性が大きく変わる）ことを明らかにする[1]。換言すれば、ガラス温度以下では、大数の法則が破れ、拡散性はサンプルに依存して本質的にランダムになる。

日時: 2016年11月9日（水）13:30-15:30
タイトル: 流体輸送解析から見た strong-fragile液体の本質的な差異について
講演者: 古川　亮氏（東京大学生産技術研究所）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト ガラス形成物質は経験的に“strong”と“fragile”の2種類に大別されることが認識されてきた(Angell’s classification scheme)。 strong液体では粘性係数(≒構造緩和時間)はアレニウス的な温度依存性を示すのに対し、fragile液体では、非アレニウス的であり、(ガラス転移点近傍で) より急峻な粘性係数の増大を示す。これまでfragile液体はstrong液体に比べて、その粒子運動がより協同的であることが示唆されてきたが、この分類の背後にある決定的な物理描像の違いは、これまで明らかにされていなかった。これについて、講演者は縦流体緩和モード(特に密度場)の系統的解析により、これらの動的クラスの分類を理解する鍵となる特性の違いを見出した。ガラス化を研究する際に重要になる空間スケールにおいて、strong液体の密度緩和ダイナミクスは非保存的に振る舞う一方で、 fragile液体においては保存的(拡散的)に振る舞うことを見出した。この縦流体緩和モードに見られる決定的な差異は、それぞれのクラスにおける緩和の素過程の違いに直接的に由来している：後者では密度ゆらぎに対して、再隣接粒子間の交換プロセス(=局所的な密度保存)が必然的に付随するのに対し、前者の場合には、そのようなプロセスを必要とせず、非協同的かつ比較的自由にその緩和が進行する。さらに、fragile液体では、その過冷却状態において密度ゆらぎの緩和プロセスが協同的に発生するが(協同拡散)、この傾向は過冷却度の増大に伴い、より顕著になる。

日時: 2016年8月9日（火）10:30-11:45
タイトル: Active yielding transition
講演者: Elsen Tjhung 氏 (University of Cambridge)
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト In recent years, active matter has become an exciting research area with broad applications to biological systems and new connections to other non-equilibrium systems such as glass transition. In contrast to externally driven systems, active system is driven out of equilibrium internally by a multitude of sources of local energy injections. In this talk, we propose a new microscopic model of active particles where 'self-deformation' of individual particles provides a unique source of local energy injection. This is motivated by recent experiments in dense epithelial tissues where individual cells have been observed to undergo large volume fluctuations of up to 20%. Here we show that a dense assembly of 'actively deforming' particles can undergo a discontinuous transition from a disordered solid to a fluid phase. This behaviour resembles the mechanical response of soft solids under mechanical deformation. It thus constitutes the first example of active yielding transition.

日時: 2016年8月9日（火）13:00-14:15
タイトル: Rugged free-energy landscapes in and out of equilibrium
講演者: Sho Yaida 氏 (Duke University)
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト Upon approaching the glass transition a liquid gets sluggish without obvious structural changes. The glassy slowdown is instead attributed to an increasing roughness in the underlying free-energy landscape. Cavity point-to-set correlations are real-space tools for characterizing the evolution of this rugged landscape, but their measurement is a serious computational challenge. Here, I first present recent methodological advances in measuring point-to-set observables, which in turn shed a new light on the interplay between structure and dynamics in glass-forming liquids at equilibrium. I then shift the gear to the physics of solid glasses. Recently, the Gardner transition was predicted to occur as solid glasses are cooled/compressed. This transition, whereat the free-energy landscape transforms from smooth to hierarchically-organized, is well-described by Parisi's full replica-symmetry breaking in the infinite-dimensional mean-field limit. In finite dimensions, however, their existence has been called into question. Here, I present our new renormalization group calculations which identify the underlying fixed point governing the transition. Incidentally, our analysis also offers a resolution to the decades-long debate on spin-glass transitions.

日時: 2016年8月9日（火）14:30-15:45
タイトル: Thermodynamic glass transition of the randomly pinned glass former
講演者: Atsushi Ikeda 氏 (University of Tokyo)
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト Confirming by experiments or simulations whether or not an ideal glass transition really exists is a daunting task, because at this point the equilibration time becomes astronomically large. Recently it has been proposed that this difficulty can be bypassed by pinning a fraction of the particles in the glass-forming system. Here we study numerically a liquid with such random pinned particles and identify the ideal glass transition point TK at which the thermodynamic entropy exhibits a singular behavior. I will summarize the results published in [1] and report some of recent progress. This work is in collaboration with Misaki Ozawa (Montpellier), Walter Kob (Montpellier) and Kunimasa Miyazaki (Nagoya).

[1] M. Ozawa, W. Kob, A. Ikeda, K. Miyazaki, PNAS 112, 6914 (2015).

日時: 2016年8月9日（火）16:00-17:15
タイトル: Cluster glass transition of ultrasoft-potential fluids
講演者: Ryoji Miyazaki 氏 (Nagoya University)
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト Ultrasoft-potential fluids are model systems whose interaction is characterized by a finite repulsion[1]. They are known to exhibit exotic and rich thermodynamic behavior such as varieties of crystalline structures, reentrant phase boundaries, and cluster-crystal formation. The natural question is whether their dynamics is as anomalous as their thermodynamic properties.
Using molecular dynamics simulation, we investigate the slow dynamics of a supercooled binary mixture of such ultrasoft particles interacting with a generalized Hertzian potential[2]. At high densities, particles bond together, forming clusters, and the clusters undergo the glass transition. The number of particles in a cluster increases one by one as the density increases. We demonstrate that there exist the multiple cluster-glass phases characterized different number of particles per cluster. Surprisingly, a so-called higher order singularity of the mode-coupling theory signaled by a logarithmic relaxation is observed in the vicinity of the boundaries between monomer and cluster glass phases. The system also exhibits rich and anomalous dynamics in the cluster glass phases, such as the decoupling of the self and collective dynamics.

[1] G. Malescio, J. Phys.: Condens. Matter 19, 073101 (2007).
[2] R. Miyazaki, T. Kawasaki, and K. Miyazaki, arXiv:1604.05886.

日時: 2016年8月4日（木）13:30-15:30
タイトル: Surprising transport phenomena in colloidal systems
講演者: Hans M. Wyss 氏（Eindhoven University of Technology）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト We use simple experiments, often based on microfluidic devices, to provide new physical insight into their behavior. I will here discuss two recent studies dealing with surprising transport phenomena at the colloidal scale:

1. Physical origin of exclusion-zone formation in colloidal suspensions
In so-called exclusion-zone formation, colloidal particles are repelled from certain surfaces over distances of up to hundreds of micrometers, in the absence of any additional external fields. Although a range of hypotheses have been suggested to account for the behavior, the physical mechanisms responsible have remained largely unclear. Our work provides a detailed understanding of this exclusion zone formation, enabling a precise control of the behavior. This could be exploited, for instance, for sorting in microfluidic devices, in advanced antifouling coatings, or for elucidating biological processes where it is likely to play an important, yet unexplored role.[1][2]

2. Compression and reswelling of microgel particles after an osmotic shock
We employ dedicated microfluidic devices to study the response of soft polymer microgels exposed to a rapid change in the externally applied osmotic pressure, an osmotic shock. Using poly-acrylamide microgel particles as a model and aqueous dextran solutions to apply varying osmotic pressures, we observe a surprising, non-monotonic response to an osmotic shock. After an initial rapid compression or swelling, the particle volume slowly reverts to approximately its initial volume. We present a simple model that semi-quantitatively describes our experimental data. This enables us to extract important material parameters directly from our shock experiments, including the compressive modulus, the network permeability, and the diffusivity of the osmolyte in the gel.[3]
If time remains I will also briefly discuss a new experimental approach by which elasticity can be directly accessed using calorimetry, without measuring any pressures or forces.[4]

[1] Daniel Florea, Sami Musa, Jacques M.R. Huyghe, Hans M. Wyss “Long-range repulsion of colloids driven by ion exchange and diffusiophoresis.” PNAS 111, 6554–6559 (2014).
[2] Sami Musa, Daniel Florea, Hans M. Wyss, Jacques M.R. Huyghe “Convection associated with exclusion zone formation in colloidal suspensions.” Soft Matter 12, 1127–1132 (2016).
[3] Compression and reswelling of microgel particles after an osmotic shock Jelle F. Sleeboom, Panayiotis Voudouris, Melle Punter, Frank J Aangenendt, Daniel Florea, Paul van der Schoot and Hans M. Wyss “Compression and reswelling of microgel particles after an osmotic shock.” in process
[4] Frank J. Angenendt, Johan Mattsson, Wouter G. Ellenbroek, Hans M. Wyss “Mechanics from Calorimetry: A New Probe of Elasticity for Responsive Hydrogels.” in process

日時: 2016年8月4日（木）15:30-17:30
タイトル: A novel route to the spontaneous formation of porous crystals via viscoelastic phase separation
講演者: Mathieu Leocmach 氏（Université de Lyon）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト Viscoelastic phase separation of colloidal suspensions can be interrupted to form gels either by glass transition or by crystallization. With a new confocal microscopy protocol, we unveil a novel crystallization pathway to sponge-like porous structures in a colloid-polymer mixture undergoing viscoelastic gas-liquid phase separation. We show that crystallization leads to a network structure different from the original phase separation pattern. Crystals nucleate inside the liquid network, but grow past it by direct condensation of the gas phase on their surface, i.e. de-sublimation, driving evaporation of nearby liquid. This process represents the colloidal analogue of the Bergeron process, which explains the formation of ice crystals in mixed phase clouds and is at the origin of rain. Our finding gives us full experimental access to the kinetic pathway of this poorly understood phenomenon important for climate science. We argue that similar crystal-gel states can be formed as the result of the gas-liquid phase separation of any crystallizable components, such as monoatomic and molecular systems, if dynamics of the liquid phase is slow enough to induce viscoelastic phase separation, but fast enough to prevent immediate vitrification. This mechanism will provide a novel single-step pathway to form nano-porous crystals of metals and semiconductors without dealloying, which may be important for catalytic, optical, sensing, and filtration applications.

日時: 2016年7月12日（火）10:30-12:30
タイトル: Tunable long range forces mediated by self-propelled colloidal hard spheres
講演者: Ran Ni 氏（Nanyang Technological University）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト Most colloidal interactions can be tuned by changing properties of the medium. Here we show that activating the colloidal particles with random self-propulsion can induce giant effective interactions between large objects immersed in such a suspension. By performing Brownian dynamics simulations, we systematically study the effective force between two hard walls in a 2D suspension of self-propelled (active)colloidal hard spheres. We find that at relatively high densities, the active colloidal hard spheres can form a dynamic crystalline bridge, which induces a strong oscillating long range dynamic wetting repulsion between the walls. With decreasing the density of active colloids, the dynamic bridge gradually breaks, and an intriguing long range dynamic depletion attraction starts dominating the effective interaction between the two walls. The two long range forces oppose each other, and the effective interaction can be tuned from a long range repulsion into a long range attraction by reducing the density of active particles. Our results open up new possibilities to manipulate the motion and assembly of microscopic objects by using active matter.

日時: 2016年6月21日（火）13:30-15:30
タイトル: ガラスの振動特性と熱物性：弾性不均一性を基盤とした理論構築
講演者: 水野英如氏（東京大学大学院総合文化研究科）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト 　結晶では分子は規則正しい格子構造上に配置しており、格子構造のまわりを熱振動する。このような熱振動は「フォノン」として記述でき、フォノンは結晶の熱物性理論（熱容量：デバイ理論、熱伝導：フォノンの輸送方程式）の中核を成している。一方で、ガラスでは分子はランダムな状態で配置しており、ランダム構造のまわりを熱振動する。ガラスの熱振動は結晶のフォノンとは大きく異なり、低周波数域に振動モードが過剰に集まる「ボゾンピーク」やある局所領域の分子のみが大きく振動する「局在化モード」といった現象が観測される。このような非フォノン的な振動特性は、多くのガラスに共通して普遍的に観測されるため、“ランダム”のみに付随した概念によって統一的に説明できると考えられる。我々は、そのような概念として弾性不均一性に着目している。ガラスでは、局所的な弾性率が空間を揺らいでおり、硬い領域と柔かい領域が不均一に混在する。この弾性不均一性を基盤として、ガラスの振動特性・熱物性を記述する理論の構築を目指している。
　本研究では、格子構造に「サイズ乱れ」を入れていくシミュレーションを行い、格子構造、サイズ乱れのある格子構造、そしてランダムなガラス構造へと徐々に変形させていった。この過程において、熱振動がフォノンモードから非フォノンモードへと変化していき、その変化が弾性不均一性の変化に追随することを示した。本研究は弾性不均一性と振動特性・熱物性の間に明確な相関があることを直接的に示すことによって、弾性不均一性が振動特性・熱物性を制御していることの証拠を提示するものである．

日時: 2016年5月18日（水）13:30-15:30
タイトル: Rounding of the localization transition in model porous media
講演者: Simon Schnyder 氏（京都大学大学院工学研究科）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト Our molecular dynamics simulations of interacting soft disks confined in a heterogeneous matrix show dynamics which is fundamentally different from their hard-disk analogues.
While the movement of particles in a homogeneous medium is diffusive, there are surprisingly many cases where dynamics are non-diffusive, or anomalous. Examples of this are crowded biological systems and heterogeneous media. A key to understanding anomalous transport is the Lorentz model (LM), in which non-interacting tracers are placed into a matrix of fixed hard-disk obstacles. At a critical obstacle density, the system undergoes a localization transition at which transport is anomalous (dashed lines in fig.). Far more complex heterogeneous media show similar dynamics and it is often assumed that the LM localization transition is the underlying mechanism, yet soft potentials and tracers interacting with each other have been suspected to change the dynamics fundamentally.
In a LM with soft obstacles we find that the localization transition is rounded: a sharp critical point does not exist and critical scaling breaks down (see solid lines in fig.). When interactions between tracer particles are turned on, they are able to push each other out of void pockets, which enhances transport. This implies that the LM scenario applies to realistic heterogeneous media only approximately.

日時: 2016年4月27日（水）13:30-15:30
タイトル: Numerical detection of the Gardner transition in hard sphere glass formers under compression and shear
講演者: Yuliang Jin 氏（大阪大学サイバーメディアセンター）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト Low-temperature crystals can be modeled as harmonic vibrations, the phonons, around a perfect lattice. The resulting Debye theory perfectly predicts thermodynamic and transport properties. Low-temperature glasses instead display all kind of anomalies with respect to this description: anomalous specific heat and thermal conductivity; activated slow dynamics across barriers inside the glass; an abundance of soft vibration modes with respect to the Debye law, the so-called Boson Peak; marginal stability of mechanical excitations; a plastic and irreversible response to arbitrarily small strain amplitudes. All these observations can be rationalized as the remanent of a novel phase transition, the Gardner transition, predicted by the mean field theory of glasses. The Gardner transition distinguishes between two types of amorphous solids: the simple mechanically stable glass and the marginally-stable glass. Here we explore numerical methods to detect the Gardner transition in several model glass formers [1,2]. We show evidence for the existence of the Gardner transition in ultrastable glasses under external perturbations: compression and shear. We find that the transition is associated to (i) the significant growth of time and length scales, (ii) the spatially heterogeneous organization of cages that confine particles’ vibrations, (iii) the nontrivial change of the probability distribution function of caging order parameters, and (iv) the emergence of protocol-dependence shear modulus. We further discuss the connection between our results and experiments in low-temperature glasses.

[1] L. Berthier, P. Charbonneau, Y. Jin, G. Parisi, B. Seoane, and F. Zamponi, arXiv:1511.04201 (2015).
[2] P. Charbonneau, Y. Jin, G. Parisi, C. Rainone, B. Seoane, and F. Zamponi, Phys. Rev. E 92, 012316 (2015).

2015年度

日時: 2016年2月16日（火）13:30-15:30
タイトル: Dynamic phase transitions
講演者: Frederic van Wijland 氏（Université Paris Diderot/京都大学基礎物理学研究所）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト The machinery of statistical mechanics allows us to understand the existence of phase transitions among equilibrium states. My purpose is to discuss the ways and means to quantify and characterize the possibility of various dynamical regimes -or phases- in classical systems. While the mathematical origin of these methods dates back to the 1970's, it is only in the last 15 years that they have been implemented on actual physical systems. Connections will be made with the theory of quantum phase transitions. Physical applications will include random walkers on a line (with a connection to the ferromagnetic XXZ chain at finite magnetization) and the richer case of molecular glass formers.

日時: 2016年1月20日（水）10:00-12:00
タイトル: Nonlinear dynamics of active deformable particles in external flow field
講演者: 多羅間充輔氏（京都大学福井謙一記念研究センター）
場所: 東山キャンパス理学館5F 502号室（R研コロキウム室）

アブストラクト 　　Active particle is an object that possesses mechanism to generate kinetic energy and as a consequence exhibits spontaneous motions by breaking symmetry. Well studied realisations include many synthetic active particles such as Janus colloids self-propelling in a solvent and camphor particles floating on an aqueous phase. These active particles are rigid and have a prescribed time-independent shape. In contrast, there also exist soft active particles, which does change its shape during its dynamical movement. Indeed the shape deformation is of great importance for many biological processes such as the spontaneous movement of living cells and microorganisms like protozoa. Motivated by such biological active systems, simpler artificial active deformable particles have also been realised including active liquid droplets and vesicles that undergo chemical reactions on the interface.
　　In order to clarify the mechanisms and properties of each specific active particle, detailed modelling is necessary. Besides, since the examples of active particles range from biological to artificial systems, it is also important to develop general descriptions to elucidate universal features of miscellaneous active particles. We are interested in the latter aspect of the dynamical behaviour of active deformable particles. To this end, we have developed a series of theoretical studies based on symmetry considerations in the framework of nonlinear dynamics. In this seminar talk, we would introduce our studies especially focusing on the dynamics of active deformable particles in an external flow field.

日時: 2015年11月25日（水）14:00-16:00
タイトル: 駆動されたブラウン粒子の軌道におけるレプリカ対称性の破れ
講演者: 上田仁彦氏（京都大学大学院理学研究科）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト 　近年、細胞内における拡散など、非平衡環境における輸送現象が注目を集めている[1]。拡散は一般に平均二乗変位や変位の母関数など一粒子の変位に関する量を用いて特徴づけられることが多い。一方で最近、時間平均量の母関数を自由エネルギーと見なして系の時間発展軌道の統計力学を構築する試みが様々な対象に対して活発に行われている。例えばkinetically constrained modelと呼ばれるガラスのモデルでは、動的不均一性が系の活動の激しさを表すactivityの母関数の特異性によって（相転移として）記述されてきた[2]。本講演では、このような軌道の統計力学の枠組みの中で、二つの同一の系の軌道の間の類似性（重なり）を通じてその特異性が捉えられるような拡散現象を報告する。具体的には、noisy Burgers方程式に従う共通の速度場によって駆動されるブラウン粒子のダイナミクスを考え、二粒子の軌道の重なりが非自明な分布を生じること（レプリカ対称性の破れ）を見る[3]。

[1] 例えば P. Bursac, G. Lenormand, B. Fabry, M. Oliver, D. A. Weitz, V. Viasnoff, J. P. Butler, and J. J. Fredberg, Nat. Mater. 4, 557 (2005)
[2] J. P. Garrahan, R. L. Jack, V. Lecomte, E. Pitard, K. van Duijvendijk, and F. van Wijland, Phys. Rev. Lett. 98, 195702 (2007)
[3] M. Ueda and S.-i. Sasa, Phys. Rev. Lett. 115, 080605 (2015)

日時: 2015年10月28日（水）13:30-15:30
タイトル: The Equilibrium and Non-equilibrium Behaviour of Surfactant Systems
講演者: Louisa Reissig 氏（名古屋大学）
場所: 東山キャンパス理学館5F 502号室（R研コロキウム室）

アブストラクト In binary systems, surfactant molecules can self-assemble into a large variety of structures, depending on their chemical structure, concentration and temperature. The properties and stability of the phases, their coexistence regions and the formation of metastable structures are of great importance not only for fundamental understanding, but also for applications in many fields including industry and medicine. However, their study is often hampered by the existence of long-lived non-equilibrium structures, giving rise to incomplete or incorrect equilibrium phase diagrams. In this talk, I will present a corrected phase diagram of an aqueous surfactant system, which has been developed by using a set of complimentary techniques, recording changes on different length scales. The newly proposed phase diagram has been verified by studying phase transitions along isoplethal and isothermal paths. Furthermore, the effect of the structure and rigidity of the (coexisting) phases on the formation of myelin structures - multilamellar wormlike interface instabilities - has been studied, and has yielded vital data for establishing a new model of myelin formation and growth, which will also be discussed in this talk.

日時: 2015年10月14日（水）14:00-16:00
タイトル: 局所平衡熱機関の熱効率論
講演者: 泉田勇輝氏（名古屋大学）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト 　熱を仕事に変換する熱機関の熱効率は, カルノー以来, 準静的極限によって可逆的に動作する際に最大値を達成することが知られている. しかしながらこの極限では仕事率（単位時間あたりの仕事）はゼロになってしまうという実用上の問題がある. こうした問題点から最大の仕事率で動作する有限時間カルノーサイクルの効率を解析したCurzon-Ahlbornによる論文[1]は古典的な例として有名であるが, 準静的極限を離れても成立する熱機関の熱効率に関する普遍則の研究は非平衡熱統計力学の観点からも近年関心が高まっている.
　本講演では熱機関の最大仕事率時の効率の普遍性に関する基礎から最近の話題までを議論する. 最初に問題の背景を説明した後に, オンサーガーの線形不可逆熱力学に基づいた熱機関の最大仕事率時の効率に関する一般論を紹介し, 最大仕事率時の効率上限が準静極限時の半分となることを示す[2,3]. 続いてこの効率限界を達成する非平衡熱機関の具体例として局所平衡カルノーサイクルを取り上げる[4]. このモデルは, 作業物質と熱源がそれぞれ局所平衡状態にあることを仮定したサイクルであり, [1]のモデルの一般化となっている. また作業物質と熱源の間の大局的な平衡状態を仮定する通常のカルノーサイクルを自然に含むような非平衡熱機関の例となっており, 有限時間動作での仕事率や効率の評価も容易に行える. この熱機関は上記の効率限界を達成可能であることを, サイクル動作する熱機関の熱力学的力と流れを同定しそのオンサーガー係数の性質を調べることで明らかにする[4].

[1] F. Curzon and B. Ahlborn, Am. J. Phys. 43, 22 (1975).
[2] C. Van den Broeck, Phys. Rev. Lett. 95, 190602 (2005).
[3] Y. Izumida and K. Okuda, Phys. Rev. Lett. 112, 180603 (2014).
[4] Y. Izumida and K. Okuda, New J. Phys. 17, 085011 (2015).

日時: 2015年9月11日（金）14:00-16:00
タイトル: THE GLASSY STATE: INTERMEDIATE-RANGE ATOMIC STRUCTURE MAGNETICALLY VIEWED FROM THE FROZEN END
講演者: Giancarlo Jug 氏 (Università degli Studi dell'Insubria)
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト Most studies of the atomic structure of glasses, especially non-metallic ones, are conducted at high temperatures and - in terms of modeling - often in the super cooled phase of the melt. That comes because X-ray and neutron-scattering techniques cannot unambiguously resolve the intermediate- and long-range atomic structure of amorphous solids. For insulating glasses the continuously random network model of Zachariasen-Warren has dominated the field in the West since the 1930s, though in the Soviet block the antagonist concept of crystallites and cellular superclusters has held fast to the post up to these days (see for example the polycluster concept of A.S.Bakai). In this talk the case for an intermediate picture of the glass structure will be advocated, looking at the glassy state from its frozen end (at low and very low temperatures) as one would do with a crystal. The new tool to watch with is proposed to be those remnant degrees of freedom in the otherwise frozen matrix of a glass that are still ergodic and are dynamical defects known as tunneling systems. These are normally modeled in terms of simple tunneling two-level systems, sitting in a medium with a flat distribution of their relevant parameters – a legacy from Zachariasen-Warren. However, the two-level systems picture – though successful - is not capable of describing many experiments at low temperatures in a consistent way, notably: experiments contradicting the standard tunneling model, and especially the magnetic and composition effects that are hard to explain with this model. It will be shown that a demise of the Zachariasen-Warren dogma and a refined cellular-type structural model for the intermediate-range atomic structure can lead, when folded in the tunneling-systems concept, to a much improved explanation of most experiments with cold glasses1 and to an improved picture of the atomic structure. Perhaps, also to the mechanism for the glass transition. The new cellular picture for the intermediate atomic structure of a glass will be introduced and the implementation of the tunneling model, with two very distinct tunneling species on such structure will be shown to lead to a quantum-mechanical theory for the remnant effective degrees of freedom capable of explaining all experiments so far. Also, predictions for exotic new magnetic effects2 will be made, so that the atomic structure of glasses will be accessible through new, tunneling, magnetic eyes.

[1] G.Jug, M.Paliienko and S.Bonfanti, J.Non-Cryst.Solids, 401 (2014) 66-72.
[2] S.Bonfanti and G.Jug, J.Low-Temp.Phys. (2015 in print)

日時: 2015年8月3日（火）14:00-16:00
タイトル: Weak ergodicity breaking: from single molecules in the live cell to blinking quantum dots
講演者: Eli Barkai 氏 (Bar Ilan University)
場所: 東山キャンパス理学館4F 415号室

アブストラクト In nature the time trace of a signal might be random however its long time average converges to the corresponding ensemble average (ergodicity). We discuss weak ergodicity breaking a framework introduced by Bouchaud, which describes statistical properties of dynamical systems with power law distributed sojourn times. Examples of blinking quantum dots and di usion of mRNA in the cell are discussed. The basic question is what is the statistical mechanical framework replacing ordinary statistical mechanics, and the consequence in single particle dynamics.

[1] F. D. Stefani, J. P. Hoogenboom, and E. Barkai Beyond Quantum Jumps: Blink-ing Nano-scale Light Emitters Physics Today 62 nu. 2, p. 34 (February 2009)
[2] E. Barkai, Y. Garini and R. Metzler Strange Kinetics of Single Molecules in the Cell Physics Today 65(8), 29 (2012).

日時: 2015年6月30日（火）13:30-15:30
タイトル: Coarse-grained simulation of surfactant membranes
- membrane structure and elasticity
講演者: 芝隼人氏（東京大学物性研究所）
場所: 東山キャンパス理学館4F 415号室

アブストラクト Surfactant membranes form various shapes, owing to surface fluctuations and interactions. MD based simulations provide us powerful tools for investigation of membrane transitions. In this talk, the following topics will be addressed: (i) Structure formation of surfactant membranes under shear flow The meshless membrane model, highly coarse-grained model of surfactant membrane will be employed, to investigate structure formation under shear flow. Large-scale simulations has been carried out by development of our original code including massively parallel simulations. Shape transition on a micrometer scales is found out in partial agreement with previous experiments. (ii) Membrane elasticity and surface tension Basic problems regarding membrane elasticity and surface tension will be addressed. Emphasis will be put on the precise estimation of bending rigidity, and also on the basic paradox regarding surface tensions.

[1] Hayato Shiba, Hiroshi Noguchi and Gerhard Gompper, JCP 139, 014702/1-11 (2013).
[2] Hayato Shiba and Hiroshi Noguchi, PRE 84, 031926/1-13 (2011).

日時: 2015年6月16日（火）13:30-15:30
タイトル: 流体方程式を前提としないストークス則の導出
講演者: 伊丹將人氏（京都大学）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト 　粘性流体中のマクロな球の抵抗係数について考察する。マクロな流体力学の視点に立つと、低レイノルズ数のときに抵抗係数は球の半径と粘性率に比例することが分かる。これをストークス則という[1]。一方、ミクロな力学系の視点に立つと、抵抗係数は球表面の応力相関で表されるという線形応答公式が得られる。これをカークウッドの公式という[2]。カークウッドの公式と素朴な中心極限定理を用いると、抵抗係数は球の半径の2乗に比例してしまいストークス則は得られない。そこで、本講演では大偏差理論を用いることで両者の関係を明らかにする。まずは、グリーンの公式[3]を用いて、ストークス則に含まれる粘性率を流体バルクの応力相関で表す。次に、大偏差理論のコントラクション原理を用いることで、流体バルクと球表面の応力相関を結びつける。最後に、カークウッドの公式を用いると、流体方程式を前提とすることなくストークス則が得られることを示す[4]。

[1] G.G. Stokes, Trans. Cambridge Philos. Soc. 9, 8 (1851).
[2] J. Kirkwood, J. Chem. Phys. 14, 180 (1946).
[3] M.S. Green, J. Chem. Phys. 22, 398 (1954).
[4] M. Itami and S. Sasa, arXiv:1505.01691.

日時: 2015年6月2日（火）13:30-15:30
タイトル: 低温蒸着法を用いた単純分子ガラスの作成とその熱物性から見る普遍性
講演者: 辰巳創一氏（京都工芸繊維大学）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト 　分子性液体を冷却していくと低温で粘性が増大する．この粘性の増大は分子の持つ緩和時間の増大を反映しており，液体を更に結晶化させることなく冷却すると最後には緩和時間が急激に発散し，分子運動が凍結してガラス状態へと至る．この急激な緩和時間の発散の機構の詳細は極めて興味深い問題であると同時に，物性物理学の重要な未解決問題の１つとして科学者の興味を引き続けて来た．
　このガラス転移の理解を困難にしている理由としてここでは２つの事柄を指摘したい．１つは理論と実験の乖離．もう１つは直接的な実験的検証の難しさである．前者については，理論面では分子の密度のみに焦点を当てたり数値計算として扱われる粒子が２種類の球状分子の混合系をモデル系として扱うなどする一方で，実験的にガラス性物質とされている物質の多くが，複雑な構造を持ち，配向秩序なども重要であると一般にはされている点などが象徴的である．後者は緩和時間の発散を直接的に検証することが，実験時間の有限性が故に事実上不可能であることであり，それが故に原理的にガラス転移の証明は不可能である，という人もいる．
　こうしたガラス転移を実験的に明らかにするために，理論と容易に比較出来るような単純な分子をガラス化させ，その性質を系統的に検証する，というのが極めて有効である．そのために，我々は従来の方法では到底ガラス化しなかったような物質をガラス化するため，10 Kという極めて低い温度で蒸着することで物質を非晶化し，in situ で物性値，特に熱容量が測定可能な装置を開発し，単純な物質のガラス状態の熱容量の測定を行った．
　本講演では，そうした蒸着によって作成した単純ガラスをいくつか紹介すると共に，その中でも特に蒸着プロペンガラスの熱容量と既に測定されていた低分子炭化水素ガラスの熱容量との比較を通じて見出すことの出来た普遍性と，ガラス転移温度より低温に示唆された特異的な挙動について議論することを予定している[1]．

[1] "Thermodynamic Study of Simple Molecular Glasses: Universal Features in Their Heat Capacity and the Size of the Cooperatively Rearranging Regions", S. Tatsumi, S. Aso, and O. Yamamuro, Phys. Rev. Lett., 109, 045701 (2012)

日時: 2015年5月26日（火）13:30-15:30
タイトル: 測定に基づいた量子熱機関の定式化と有限サイズ効果を考慮した最適熱効率
講演者: 林正人氏（名古屋大学多元数理科学研究科）
場所: 東山キャンパス理学館5F 506号室

アブストラクト 本講演では，熱機関の量子論的な定式化を与えるとともに，温度の異なる２つの熱浴の間での熱移動によって仕事を取り出すモデルにおいて，このモデル化の下で最適熱効率について扱う．今回の成果では，量子情報理論の手法を非平衡統計力学に応用しており，この点が特徴である．最初に，既知の２種の熱機関の量子論的な定式化について紹介し，その上で，我々の定式化を述べ，我々の定式化をベースに先行研究の問題に点ついて議論する．次に，温度の異なる２つの熱浴を有限個の量子論的な粒子として捉え，上述の定式化の範囲で熱効率の最適化を扱う．そして，粒子数が無限大に近づく熱力学極限の下で，熱力学の法則の１つであるカルノー効率の最適性が復元されることを確認する．その議論においてはエネルギー保存則は仮定するが，準静的過程の存在は仮定していない．さらに，カルノー効率よりも高次のオーダーの項についても本研究では導出した．これらの成果は，微視的な構造を持つ系から仕事を取り出す場合に適用できると考えられる．本研究は，理化学研究所の田島裕康氏との共同研究であり，詳細は以下から入手可能である． http://arxiv.org/abs/1504.06150

2014年度

日時: ~~2015年2月24日（火）13:30-15:00~~　この講演はキャンセルになりました
タイトル: Field Theoretical description of the Glass Crossover
講演者: Tommaso Rizzo 氏（Department of Physics, Sapienza University of Rome）
場所: 東山キャンパス理学館5F 515号室

アブストラクト Stochastic Beta Relaxation is a model for the dynamics of glass- forming liquids close to the glass transition singularity of the idealized mode- coupling theory (MCT) that I have derived by applying dynamical ﬁeld-theory techniques to idealized MCT using the connection with Spin-Glass models. In its simplest version it naturally explains two prominent features of the dynamical crossover: the change from a power-law to exponential increase in the structural relaxation time, the replacement of the Stokes-Einstein relation between diffusion and viscosity by a fractional law. The solution of the model in three dimensions displays a qualitative change in the dynamics across the crossover temperature from a regime where time and length scales have power-law increases to a regime characterized by both strong dynamical heterogeneities and a decreasing dynamical correlation length.

日時: 2014年12月9日（火）13:30-15:00
タイトル: パーシステントホモロジーを用いた非晶質における中距離秩序構造の記述
講演者: 中村壮伸氏（東北大学）
場所: 東山キャンパス理学館5F 515号室

アブストラクト 本発表ではパーシステンスダイヤグラム(PD)[1]という近年開発された数学の手法を用いて非晶質における構造の新たな記述方法を提案する。非晶質構造には中距離秩序構造と呼ばれる多体構造が典型的に現れるとされている[2]。我々はアモルファスシリカの配置データをもとに作られたPDの中に特徴的な曲線を見つけ、また、PDの分布が構造因子に見られるFSDP(first sharp diffraction peak)をよく再現することを発見した。これはPDが中距離秩序構造を記述していることを意味する。また曲線の存在は、多体の粒子配置における幾何学的な拘束条件を意味し、力学的な摂動に対する応答の傾向も記述していることを確認した。このような多体配置に対する拘束の有無を記述する方法は従来の定量的な記述方法 (角度分布、動径分布、構造因子、リング統計など)と補完的役割を果たすものである。

[1] H. Edelsbrunner and J. Harer. "Computational Topology: An Introduction" (Amer. Math. Soc., 2010).
[2] S. R. Elliott. "Physics of Amorphous Material" Longman; 2nd edition (June 4, 1990)

日時: 2014年11月11日（火）13:30-15:00
タイトル: Exactly solvable lattice models in non-equilibrium statistical mechanics
講演者: Sergey Poghosyan 氏（高知工科大学）
場所: 東山キャンパス理学館5F 515号室

アブストラクト The talk is devoted to totally asymmetric simple exclusion process (TASEP) in discrete and continuous time with various updating rules. The relationship between TASEP and other exactly solvable lattice models such as randomly growing surfaces, Kardar-Parisi-Zhang class, random matrix theory and biopolymerization is revealed. The helix-coil transition in a double-stranded biopolymer is investigated using the theory of random walks.

日時: 2014年9月25日（木）13:30-15:00
タイトル: Experimental studies of the aging dynamics of colloidal clay suspensions
講演者: Ranjini Bandyopadhyay (Department of Soft Condensed Matter, Raman Research Institute)
場所: 東山キャンパス理学館5F 515号室

アブストラクト 　Aqueous suspensions of the synthetic clay Laponite have often been used in the study of the glass transition phenomenon. The highly anisotropic shape and the large negative charges on the faces of Laponite particles result in their aqueous suspension exhibiting a spontaneous ergodicity-breaking phase transition from a free-flowing liquid to a non-equilibrium, kinetically arrested state such as a gel or a glass. Due to the non-equilibrium nature of these arrested states, the suspensions exhibit aging, with their properties evolving continuously as the waiting time (measured after the time of preparation) increases. In this talk, I shall describe our recent dynamic light scattering (DLS) experiments to measure the primary and secondary relaxation timescales of aging Laponite suspensions. Our experiments clearly demonstrate that the dynamical slowing down of the relaxation processes in Laponite suspensions can be compared with those observed in fragile supercooled liquids. This is accomplished by recognizing the one-to-one mapping that exists between the waiting time since filtration of a Laponite suspension and the inverse of the temperature of a supercooled liquid that is rapidly quenched towards its glass transition temperature. Finally, I shall describe some of our experiments in which we tune the electrostatic inter-Laponite interactions and demonstrate the self-similar evolution of the energy landscapes of these aging suspensions. If time permits, I shall discuss the DLVO analysis of our data which provides insight into the structure of these glassy samples.

日時: 2014年9月11日（木）13:30-15:30
タイトル: Structural relaxation is a scale-free process
講演者: Anael Lemaitre (Laboratoire Navier, Universite Paris-Est)
場所: 東山キャンパス理学館5F 515号室

アブストラクト 　We show that in deeply supercooled liquids, structural relaxation proceeds via the accumulation of Eshelby events, i.e. local rearrangements that create long-ranged and anisotropic stresses in the surrounding medium. Such events must be characterized using tensorial observables and we construct an analytical framework to probe their correlations using local stress data. By analyzing numerical simulations, we thus demonstrate that events are power-law correlated in space, with a time-dependent amplitude which peaks at the alpha relaxation time. This effect, which becomes stronger near the glass transition, results from the increasingly important role of local stress fluctuations in facilitating relaxation events. Our work thus precludes the existence of any lengthscale beyond which the relaxation process decorrelates and shows that instead relaxation arises from the scale-free accumulation of events with a tensorial signature.

日時: 2014年6月23日（月）13:30-15:30
タイトル: 高次元極限でのガラスの硬さ
講演者: 吉野元氏（大阪大学サイバーメディアセンター）
場所: 東山キャンパス理学館5F 515号室

アブストラクト 　最近、高次元極限で厳密になるガラス転移の平均場理論がレプリカ液体論によって定式化された。[1] これは気液転移についてのファンデルワールス理論の「ガラス転移版」に相当する。それによると、 1段階のレプリカ対称性の破れ(RSB)をともなうガラス転移(カウズマン転移)のみならず、低温、高密度においては連続的 RSBが上乗せされてエネルギーランドスケープが階層的になり、マージナル安定なガラスが出来る。
　我々はこの方法を用い、高次元極限での剛体球ガラス系の静的シア応答を近似無しで解析した。[2] その結果、ガラス転移、ジャミング転移それぞれにおける剛性率（シアモジュラス）の特異的な振る舞いがわかった。特にジャミング転移点では、連続的 RSBが剛性率のスケーリングに直接反映され、「硬さ」にも階層構造が現れる。さらに、Franz-Parisiポテンシャルの方法を組み合わせて非線形シア応答、特に降伏応力を理論的に解析することが可能になったので併せて議論する。セミナーでは関連する実際の実験、数値シミュレーション、他の理論との関係も議論する。

[1] P. Charbonneau, J. Kurchan, G. Parisi, P. Urbani, F. Zamponi, Nature Communications 5, 3725 (2014).
[2] H. Yoshino and F. Zamponi arXiv:1403.6967.

日時: 2014年5月22日（木）13:30-15:00
タイトル: 高密度分散系のレオロジー：ガラス転移とジャミング転移とその間
講演者: 池田昌司氏（京都大学福井謙一記念研究センター総合研究部門）
場所: 東山キャンパス理学館5F 515号室

アブストラクト 　液体を急冷すると、分子の運動が劇的にスローダウンし、ついには乱れた構造のまま凍結してしまう。これがガラス転移だ。一方、このガラス転移と良く似た現象として、ジャミング転移が知られている。ジャミング転移とは、泡や粉体などが、高密度で、アモルファス固体となる現象である。系の密度が低いうちは、わずかな外力で系を流動させることができるが、ある密度を境に、系は流動性を失ってしまう。
　ガラス転移とジャミング転移の違いは、ジャミング系では、粒子が十分大きく、その熱運動が無視できることである。しかしそれ以外では、両者は共に、「流動状態にある系が乱れた構造のまま固まってしまう現象」であり、酷似している。ではこの二つの転移は、どのような関係にあるだろうか？これまで、この問いは大きな注目を集めてきたが、結論には至っていなかった。これはひとえに、ガラス転移はガラス転移のみを起こすモデルで、ジャミング転移はジャミング転移のみを起こすモデルで別々に研究されてきており、徹底的な比較を欠いていたためだ。そこで我々は、どちらの転移も起こるモデルを用いた、二つの転移の統一的なシミュレーション研究を行った。本講演ではまず、その成果を紹介する。さらに、得た知見に基づいて、コロイド・エマルション・泡・マイクロジェルのレオロジー実験が、統一的に解釈できることを示す。最後に、シミュレーション結果を、微視的理論により説明する試みについて、議論する。

日時: 2014年5月13日（火）13:00-14:30
タイトル: アインシュタイン方程式における宇宙モデルの特異なカオス
講演者: 竹内雄哉氏（大阪府立大学）
場所: 東山キャンパス理学館5F 502号室（R研コロキウム室）

アブストラクト 宇宙論の力学原理であるアインシュタイン方程式は複雑な非線形方程式である。そのため、宇宙論におけるカオスの研究は古くから行われてきた。しかし、時空構造そのものの動力学を記述するアインシュタイン方程式には、他の力学系にはない幾つもの独特な特徴があり、その帰結は十分に得られていない。特に、ビッグバン特異点の存在はカオス解析における数値計算の困難を招いている。この問題に対して我々は、ビッグバンが特異点であることを逆に利用し、その近傍の局所的な解析解を求めることで数値解析の困難を取り除いた。カオスを示すような系なので、その非可積分性から大局的な解析解を得ることはできないが、局所的には解析解を得ることができる。本発表では、その局所的な解析解と大局的な数値解を組み合わせる方法で宇宙論におけるカオスを論じ、その結果通常の力学系のカオスとは異なる特異なカオス構造が現れることを指摘する。

2016年度
2015年度
2014年度

名古屋大学 大学院理学研究科R研 非平衡物理研究室

名古屋大学大学院理学研究科
R研非平衡物理研究室