Fractal dimensions of jammed packings with power-law particle size distributions in two and three dimensions

分形 物理 分形维数 指数 幂律 大约 维数(图论) 凝聚态物理 数学物理 组合数学 数学分析 数学 哲学 操作系统 语言学 统计 计算机科学
作者
Joseph M. Monti,Ishan Srivastava,Leonardo E. Silbert,Jeremy B. Lechman,Gary S. Grest
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (4) 被引量:1
标识
DOI:10.1103/physreve.108.l042902
摘要

Static structure factors are computed for large-scale, mechanically stable, jammed packings of frictionless spheres (three dimensions) and disks (two dimensions) with broad, power-law size dispersity characterized by the exponent $\ensuremath{-}\ensuremath{\beta}$. The static structure factor exhibits diverging power-law behavior for small wave numbers, allowing us to identify a structural fractal dimension ${d}_{f}$. In three dimensions, ${d}_{f}\ensuremath{\approx}2.0$ for $2.5\ensuremath{\le}\ensuremath{\beta}\ensuremath{\le}3.8$, such that each of the structure factors can be collapsed onto a universal curve. In two dimensions, we instead find $1.0\ensuremath{\lesssim}{d}_{f}\ensuremath{\lesssim}1.34$ for $2.1\ensuremath{\le}\ensuremath{\beta}\ensuremath{\le}2.9$. Furthermore, we show that the fractal behavior persists when rattler particles are removed, indicating that the long-wavelength structural properties of the packings are controlled by the large particle backbone conferring mechanical rigidity to the system. A numerical scheme for computing structure factors for triclinic unit cells is presented and employed to analyze the jammed packings.

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