Computer simulations of supercooled liquids near the experimental glass transition

par Andrea Saverio Ninarello

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Ludovic Berthier.

Soutenue le 02-10-2017

à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) et de Laboratoire Charles Coulomb / L2C (laboratoire) .

Le président du jury était Jeppe Dyre.

Le jury était composé de Ludovic Berthier, Jeppe Dyre, Florent Krzakala, Matthieu Wyart, Chantal Valeriani, Daniele Coslovich.

Les rapporteurs étaient Florent Krzakala, Matthieu Wyart.

  • Titre traduit

    Simulations numériques des liquides surfondus près de la transition vitreuse expérimentale


  • Résumé

    La compréhension du mécanisme de la formation du verre est l'un des importants problèmes ouverts en recherche sur la matière condensée. De nombreuses questions restent sans réponse, en raison d'une énorme augmentation des temps de relaxation pendant le processus de refroidissement qui ne permet pas l'exploration des propriétés d'équilibre des liquides surfondus à très basses températures. Les simulations numériques des liquides surfondus sont actuellement en mesure d'atteindre l'équilibre à des températures comparables à la température du crossover de la théorie de couplages de modes, qui est bien supérieure à la température de transition vitreuse expérimentale. En conséquence, les simulations plus lentes que les expériences pour équilibrer un liquide surfondu par un facteur d'environ huit ordres de grandeur. Les progrès réalisés pour combler cet écart ont été lents et résultent essentiellement d'améliorations de l'architecture des ordinateurs. Dans cette thèse, nous résolvons en partie le problème de la thermalisation à basse température de liquides surfondus dans des simulations numériques. Nous combinons l'utilisation d'un algorithme Monte Carlo, connu sous le nom d'algorithme de swap, avec la conception de nouveaux modèles de formateurs de verre. Nous examinons systématiquement des nombreux systèmes, à la fois des mélanges discrets de particules, ainsi que des systèmes a polydispersité continue. Nous discutons le rôle que la polydispersité et la forme du potentiel entre particules jouent pour éviter la cristallisation et parvenir efficacement à des régimes de température inexplorés. De plus, nous étudions les processus dynamiques à l’œuvre pendant une simulation de swap Monte Carlo. Nous démontrons que, dans certains cas, notre technique permet de produire des configurations équilibrées à des températures inaccessibles même dans des expériences. Dans ce régime de température complètement nouveau, nous examinons plusieurs questions ouvertes concernant la physique de la transition vitreuse. Nous montrons qu'un fluide de sphères dures peut être équilibré jusqu'à la densité critique du jamming, et même au-delà. Nous mesurons l'entropie configurationelle dans un liquide refroidi à très basse température. Nous mettons en évidence une forte dépendance dimensionnelle, qui suggère l'existence d'une transition vitreuse idéale à une température finie en trois dimensions et à son absence en deux dimensions. Nous détectons l'augmentation de l'ordre amorphe quantifié par une longueur statique point-to-set pendant la formation du verre. Nous mesurons les exposants critiques introduits dans la théorie de champ moyen des verres beaucoup plus proche de la température critique prédite dans la théorie. Enfin, nous révélons l'absence de transition géométrique caractérisant le paysage d’énergie potentiel au travers de la température du crossover de la théorie de couplages de modes.Les modèles et les algorithmes développés dans cette thèse déplacent les études des liquides surfoundus vers un territoire entièrement nouveau, en réduisant l'écart entre la théorie et les expériences, ce qui nous amène plus proche de la solution du problème de la transition vitreuse.


  • Résumé

    Understanding the mechanisms that lead to glass formation is one of the open problems for the condensed matter research. Numerous questions remain unanswered, because the tremendous increase of relaxation times during the cooling process prevents the exploration of equilibrium properties of supercooled liquids at very low temperature. Computer simulations of glass-forming liquids are nowadays able to reach equilibrium at temperatures comparable to the Mode-Coupling crossover temperature, which is well above the experimental glass transition temperature. As a consequence, simulations lag eight orders of magnitude behind experiments in terms of equilibration times. Progress to close this gap has been slow, and stems mostly from hardware improvements.In this thesis we make an important step to close this gap. We combine the use of a Monte Carlo algorithm, known as the swap algorithm, with the design of novel glass-forming models. We systematically test numerous models using both discrete mixtures and polydisperse systems. We discuss the role that polydispersity and particle softness play in avoiding crystallization and in efficiently reaching previously unexplored regimes. We study the dynamical processes taking place during swap Monte Carlo simulations. We demonstrate that in some cases our technique is able to produce thermalized configurations at temperatures inaccessible even by experiments.In this newly accessible regime, we investigate some open questions concerning the glass transition. We show that a hard sphere fluid can be equilibrated at, and even beyond, the jamming packing fraction. We measure the configurational entropy in extremely supercooled liquid, finding a strong dimensional dependence that supports, on the one hand, the existence of an ideal glass transition at a finite temperature in three dimensions and, on the other hand, its absence in two dimensions. We detect the increase of amorphous order quantified through a static point-to-set length throughout the glass formation. We measure the critical exponents introduced in the mean-field theory of glasses much closer to the supposed ideal glass transition. Finally, we reveal the absence of a sharp geometric transition in the potential energy landscape across the Mode-Coupling crossover.The models and the algorithms developed in this thesis shift the computational studies of glass-forming liquids to an entirely new territory, which should help to close the gap between theory and experiments, and get us closer to solve the long-standing problem of the glass transition.


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