초균일성

Hyperuniformity
고균일성은 반지름 R의 디스크 내에 있는 점의 수의 분산에 의해 정의됩니다.이상 기체(왼쪽)의 경우 이 분산은 디스크 영역과 같이 조정됩니다.하이퍼 균일한 시스템(가운데)의 경우 [1]디스크 영역보다 느리게 확장됩니다.예를 들어, 결정(오른쪽)의 경우,[2] 기준의 그림 1 이후에 조정된 디스크의 경계 길이와 같이 축척됩니다.

초균일 재료는 혼합 이상 기체(공기) 또는 일반적인 액체 또는 비정질 고체와 같은 일반적인 무질서 시스템의 성분 분포와 비교하여 대규모에서 성분 밀도의 변동이 비정상적으로 낮은 혼합 성분 다립자 시스템입니다.무질서한 초균일계는 액체처럼 통계적으로 등방성이지만 [1][2]결정과 마찬가지로 장파장 밀도 변동을 감소시킨다.

모든 완벽한 결정,[1] 완벽한 준결정[3][4], 그리고 특별한 무질서한 시스템은 매우 균일합니다.

양적으로는 구면 관측창 내의 점수의 분산이 관측창의 부피보다 느린 경우에는 다립자계가 매우 균일하다.이 정의는 장파장 [1]한계에서 구조 계수가 소실되는 것과 같습니다.무질서한 초균일 시스템은 "반전된" 임계점에 [1]있는 것으로 나타났다.그것들은 평형 또는 비평형 경로를 통해 얻을 수 있으며, 고전적인 물리 및 양자역학 [1][2]시스템 모두에서 찾을 수 있다.

무질서한 초균일계는 결정과 액체 사이에 있는 물질의 이국적인 이상적 상태입니다.그것들은 완벽한 결정과 같으며 대규모 밀도 변동이 이례적으로 낮지만 통계적으로 등방성이며 브래그 피크가 없기 때문에 전통적인 장기 질서가 없다는 점에서 액체나 유리잔과 같다.이러한 독특한 조직 특성은 이제 하이퍼 유니폼 재료에 새로운 물리적 특성([citation needed]citations)을 부여하는 것으로 알려져 있습니다.

원래 물질을 묘사하기 위해 만들어진 이 개념은 소수 같은 수학적 개체의 모음으로 추상화되었고, 그래서 이제 초균일성의 개념은 물리학,[2] 수학,[5][6][7][8][9][10] 생물학,[11][12] 그리고 재료 [13][14]과학에서 광범위한 주제를 연결합니다.

역사

용어 hyperuniformity(또한 자체적으로 우주론의 맥락에서 'super-homogeneity라고 불리는[15])과 살바토레 토르콰토와 프랭크 Stillinger으로 2003년 paper[1]에서 공부하고, 그들은, 된 것은 다른 일들 사이에 hyperuniformity과 구조적으로 결정, quasicrystals, 특징을 분류하는 통일된 틀을 제공한다 말이 만들어졌다.그리고 찾았다고이국적인 무질서한 품종.따라서, 초균일성은 장기 질서의 전통적인 개념(예: 결정의 번역/방향 순서 또는 준결정체의 방향 순서)을 이국적인 무질서 시스템을 [2]포함하도록 일반화하는 것으로 볼 수 있는 장기적 특성이다.

초균일성은 포인트[1] 프로세스에 처음 도입되었으며 이후 2상 재료(또는 다공질 매체)[3]와 랜덤 스칼라 또는 벡터 장으로 [16]일반화되었습니다.

예

물리학의 무질서한 초균일 시스템의 예로는 무질서한 지면 상태,[17] 무질서한 구면 패킹,[18][19][20][21][22][23][24] 비정질 반점 패턴,[25] 특정 페르미온 시스템,[26] 무작위 자기 조직화,[27][28] 교란 격자 [34][35][36][37]및 조류 감광체 [11]세포가 있다.

수학에서, 무질서한 초균일성은 확률론,[5][38][6][8][9] 기하학, 그리고 소수 [7][39]이론의 맥락에서 연구되어 왔는데, 여기서 소수는 효과적으로 주기적이고 특정한 스케일링 [7]한계에서 초균일성을 제한한다는 것이 밝혀졌습니다.또 다른 예로는 특정 랜덤[40] 워크와 포인트 [10][20][21][22][23][41]프로세스의 안정적인 매칭이 있습니다.비정질 반점 패턴,[25] 특정 페르미온 시스템,[42] 무작위 자기 조직,[27][28][29][30][31][32][33] 교란 격자 [34][35][43][37]및 조류 감광체 세포.[11]

순서부여된고균일성

약한 상관 노이즈는 일반적으로 초균일성을 유지하지만 유한 온도에서 상관된 들뜸은 [44]초균일성을 파괴하는 경향이 있다.

질서정연한 초균일계의 예로는 [1]모든 결정, 모든 준결정 [3][4][45]및 한계주기 [46]집합이 있습니다.

초균일성은 또한 [47]주입식의 결과로 상관 전자 시스템의 페르미온 양자 물질에 대해서도 보고되었다.

무질서한 불균일성

Torquato(2014)[48]는 "흔들린 [48]대리석 상자"에서 발견된 숨겨진 순서의 예를 제시하며, 이러한 순서는 최대 무작위 걸림 [18][49]패킹이라고 합니다.이러한 숨겨진 순서는 결국 결정처럼 효율적이면서도 매우 유연한 [48]설계로 빛을 전달하는 능력을 가진 자기 조직화 콜로이드나 광학에 사용될 수 있습니다.

무질서한 하이퍼균일 시스템은 독특한 광학 특성을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.예를 들어, 무질서한 초균일 광자 네트워크는 광자 결정과 크기가 비슷하지만 결정 [13][14][50][51]구조에서는 불가능한 자유로운 형태의 도파로를 가능하게 하는 등방성의 추가적인 장점을 가진 완전한 광자 밴드 갭을 보이는 것으로 밝혀졌다.또, 은밀한 하이퍼 균등계에서는,[17] 고입자 [52]밀도에서도, 물질 고유의 값보다 긴 파장의 빛은 손실 없이(상관 무질서에 의한) 전방으로 전파할 수 있다.

이와는 대조적으로, 빛이 같은 밀도의 상관되지 않은 무질서한 물질을 통해 전파되는 조건에서는 물질이 다중 산란으로 인해 불투명하게 보일 수 있다."스텔시" 초균일 재료는 이론적으로 모든 파장의 빛에 대해 설계할 수 있으며, 이 개념의 적용 분야는 파장 물리학과 재료 [52][53]공학의 광범위한 분야에 적용됩니다.

닭의 [11]눈에서 광수용체 세포 패턴에서 무질서한 고균일성이 발견되었다.이것은 닭이나 다른 새들의 눈에 있는 빛에 민감한 세포들이 최적의 결정 배열을 쉽게 얻을 수 없고 가능한 한 [11][54][55]균일한 무질서한 구성을 형성하기 때문이라고 생각됩니다.사실, 그것은 새들이 날카로운 색감지를 [11]할 수 있게 해주는 조류 원뿔 패턴의 "물리트 균질성"의 주목할 만한 특성입니다.

최근 비정질 2차원 물질에서 무질서한 고균일성이 발견되었으며, 이는 물질 [56]내 전자 운송을 강화하는 것으로 나타났다.그것은 또한 요정 서클이라고 알려진 신비로운 생물학적 패턴 - 원과 건조한 [57][58]장소에서 나타나는 원의 패턴에서도 나타날 수 있다.

무질서하지만 매우 균일한 재료 만들기

무질서한 초균일성 재료를 만드는 문제는 부분적으로 결함 및 열 변동과 같은 결함이 불가피하게 존재하기 때문입니다.예를 들어, 변동-압축성 관계는 열평형 상태의 압축 가능한 일성분 유체는 유한 [2]온도에서 엄밀하게는 불균일할 수 없음을 나타낸다.

최근 Chremos & Douglas(2018)는 분자 수준에서 [59][60]초균일한 재료를 실용적으로 만들기 위한 설계 규칙을 제안했다.특히, 초균일성 지수에 의해 측정된 효과적인 초균일성은 분자의 특정 부분에 의해 달성된다(예를 들어, 병솔 폴리머의 경우 [61][2]스타 폴리머의 핵심 또는 골격 사슬).

이러한 특징의 조합은 작은 길이와 큰 [59][60]길이 눈금 모두에서 매우 균일한 분자 패킹으로 이어집니다.

불균형이 심한 유체 및 길이 척도

무질서한 고균일성은 장기간의 직접 상관 함수(Ornstein-Zernike 방정식)[1]를 의미한다.평형 다입자 시스템에서 이것은 섬세하게 설계된 긴 배열의 상호작용을 필요로 하며, 이는 평형 초균일 상태의 동적 자기집합에 필요하지 않다.2019년에 Ni와 동료들은 이론적으로 활동적인 단단한 [28]구를 순환 수영하는 시스템에 존재하는 불균형강고균일 유체상을 예측했으며,[62] 이는 2022년에 실험적으로 확인되었다.

이 새로운 하이퍼 균일한 유체는 특수 길이 척도, 즉 활성 입자의 원형 궤적의 직경을 특징으로 하며, 그 아래에서 큰 밀도 변동이 관찰됩니다.또한 일반화된 랜덤 구성 모델에 기초하여 Lei 및 Ni(2019)[29]는 불균일성 고균일 유체에 대한 유체역학 이론을 공식화하였으며, 그 이상의 길이 척도는 입자의 관성에 의해 제어되었다.이 이론은 유체적 불균일성의 메커니즘을 확률적 고조파 발진기의 감쇠로 일반화하며, 이는 억제된 장파장 밀도 변동이 음향(공진) 모드 또는 확산([29]과다감쇠) 모드로 나타날 수 있음을 나타냅니다.

「 」를 참조해 주세요.

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