On the temperature dependence of the density of states of liquids at low energies

材料科学 物理 算法 计算机科学
作者
Sha Jin,Xue Fan,Caleb Stamper,Richard A. Mole,Yuanxi Yu,Hong Liang,Dehong Yu,Matteo Baggioli
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1)
标识
DOI:10.1038/s41598-024-69504-2
摘要

Abstract We report neutron-scattering measurements of the density of states (DOS) of water and liquid Fomblin in a wide range of temperatures. In the liquid phase, we confirm the presence of a universal low-energy linear scaling of the experimental DOS as a function of the frequency, $$g(\omega )= a(T) \omega $$ g ( ω ) = a ( T ) ω , which persists at all temperatures. The low-frequency scaling of the DOS exhibits a sharp jump at the melting point of water, below which the standard Debye’s law, $$g(\omega ) \propto \omega ^2$$ g ( ω ) ω 2 , is recovered. On the contrary, in Fomblin, we observe a continuous transition between the two exponents reflecting its glassy dynamics, which is confirmed by structure measurements. More importantly, in both systems, we find that the slope a ( T ) grows with temperature following an exponential Arrhenius-like form, $$a(T) \propto \exp (-\langle E \rangle /T)$$ a ( T ) exp ( - E / T ) . We confirm this experimental trend using molecular dynamics simulations and show that the prediction of instantaneous normal mode (INM) theory for a ( T ) is in qualitative agreement with the experimental data.
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