Численное моделирование трёхмерных дискретных бризеров в ГЦК решётке Ni = Numerical modeling of 3D discrete breathers in fcc Ni

Abstract

Методом молекулярной динамики исследуются дискретные бризеры в ГЦК кристалле Ni. Задание начальных условий для возбуждения бризера основано на наложении сферически симметричной, экспоненциально убывающей с удалением от центра сферы функции на делокализованную колебательную нормальную моду, частота которой лежит выше фононного спектра кристалла. Такой метод позволяет получить трёхмерные дискретные бризеры нового типа, в ядре которого колебания атомов повторяют профиль нормальной моды, и амплитуда этих колебаний экспоненциально быстро убывает с удалением от центра бризера. Приведено подробное обсуждение свойств нормальной моды, на основе которой строится бризер. Показано, что в двух предельных случаях, постоянного объёма и нулевого давления, мода демонстрирует жёсткий тип нелинейности в достаточно широком диапазоне амплитуд, что обеспечивает жёсткий тип нелинейности бризера и выход его частоты выше фононного спектра кристалла. Осуществлён поиск параметра пространственной локализации бризера в зависимости от амплитуды колебаний атомов в центре бризера, при котором время жизни бризера оказывается максимальным. Найденные дискретные бризеры имеют сравнительно большое время жизни, порядка 10 пс, что существенно превосходит время существования высокоамплитудных тепловых флуктуаций. До сих пор для чистых металлов был описан лишь один тип дискретных бризеров, а именно, квазиодномерный бризер, локализованный на десятке атомов в одном плотноупакованном атомном ряду. Поэтому доказательство существования трёхмерных бризеров в ГЦК кристалле Ni, представленное в данной работе, является интересным и важным результатом для теории дискретных бризеров, для расширения наших представлений о нелинейной динамике ГЦК решётки, и для возможных приложений концепции дискретных бризеров к объяснению физических процессов, происходящих в ГЦК металлах. Molecular dynamics study of discrete breathers in fcc Ni crystal is undertaken. The initial conditions for the excitation of breathers are constructed by imposing a spherically symmetric function, exponentially decreasing with the distance from the center of the sphere, on the delocalized vibrational normal mode, the frequency of which lies above the phonon spectrum of the crystal. This method allows to obtain a three-dimensional discrete breather of a new type, in the core of which the atoms oscillate like in the normal mode, and the amplitude of these oscillations decreases exponentially with distance from the center of the breather. A detailed discussion of the properties of the normal mode on which the breather is built is presented. It is shown that in the two extreme cases, constant volume and zero pressure, the mode shows hard type of non-linearity in a wide range of amplitudes, which ensures the hard type of the nonlinearity of the breather and its frequency lying above the phonon spectrum of the crystal. The spatial localization parameter of the breather is determined as the function of breather amplitude so that the breather life time is maximal. Found discrete breathers have relatively long lifetime of the order of 10 ps, which substantially exceeds the lifetime of thermal fluctuations.The proof of the existence of three-dimensional breathers in fcc Ni, presented in this paper, is an interesting and important result in the theory of discrete breathers.