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A Theory of Jamming and Elastic Instability in Low Temperature Amorphous Solids

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Dissertation
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Zusammenfassung

Despite intense research, no first-principles theory has yet rationalized the rich phenomena and vibrational anomalies in amorphous solids. This monograph presents an analytical study, which in takes the first steps towards an exhaustive microscopic theory. The derived microscopic theory successfully describes the jammed and unjammed phase of disordered systems at zero temperature. Employing the Zwanzig-Mori projection operator formalism, we expand the Mode-Coupling Theory to coherently describe the jammed state. We identify a symmetry constraint in the sequence of local scattering events, compelling us to go beyond the standard self-consistent Born approximation: A planar theory does not recover the characteristic Rayleigh-sound attenuation in amorphous solids. Thus, we include non-planar contributions in the theoretical model.

The universal vibrational properties of amorphous solids at low temperatures are recovered in the jammed phase. We identify a diffusive regime of modes, characterized by a plateau in the vibrational Density of States. Here, the energy suffices to resolve the local disorder. Below the disorder-dominated regime, modes can propagate, and the system can be approximated as an elastic medium. The vanishing of the transverse speed of sound heralds the unjamming instability. The diffusive regime extends down to zero frequency directly at the critical point. In the unjammed phase, the theory predicts no viscous flow but the presence of modes with zero restoring forces. As a consequence, injected momentum causes plastic rearrangements of stable sub-clusters whose size diverges at the jamming transition. Utilizing the Euclidean Random Matrix model, we support our theory by deriving an equivalent theory in the harmonic approximation of the potential energy. The quantitative predictions of the theory are in good agreement with Philipp Baumgärtel's numerical solution of the scalar Euclidean Random Matrix model published in (Vogel et al. Phys. Rev. X, vol. 15:011.030, 2025).

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Trotz langer Forschung gibt es noch keine Theorie, welche die zahlreichen Phänomene und Anomalien in amorphen Festkörpern mit fundamentalen Prinzipien erklärt. In dieser Arbeit stellen wir eine mikroskopische Theorie ungeordneter Systeme bei verschwindender Temperatur vor, die sowohl deren stabile als auch instabile Phase beschreiben kann. Mit dem Zwanzig-Mori-Projektionsoperator-Formalismus erweitern wir die Modenkopplungs-Theorie, die für unterkühlte Flüssigkeiten und den Glasübergang gut etabliert ist, um auch die stabile athermische Phase beschreiben zu können. Hierbei identifizieren wir eine Symmetriebeschränkung in der Sequenz lokaler Streuereignisse. Diese macht es erforderlich, über die selbstkonsistente Born-Näherung hinauszugehen. Eine planare Theorie kann die charakteristische Rayleigh-Dämpfung nicht vorhersagen. Deshalb müssen nicht-planare Beiträge berücksichtigt werden müssen. Die Theorie charakterisiert die instabile Phase durch Moden ohne Rückstellkraft. Diese machen das System unter anderem anfällig für Scherung. Da keine viskose Strömung vorausgesagt wird, kann die Theorie zukünftig auf endliche Temperaturen und die allgemeine Glasphase verallgemeinert werden. Im stabilen Zustand werden die vibrationalen Eigenschaften von amorphen Festkörpern bei niedrigen Temperaturen korrekt vorhergesagt. Zwei unterschiedliche vibrationale Regime werden identifiziert: Falls die Moden ausreichend Energie haben, können sie die lokale Unordnung auflösen und haben einen diffusiven Charakter. Diese Moden führen zu einem Plateau in der vibrationalen Zustandsdichte. Für geringere Energien kann das System als elastischen Medium genähert werden. Das Verschwinden der transversalen Schallgeschwindigkeit markiert die Instabilität. Hier erstreckt sich das diffusive Regime bis zu verschwindender Frequenz. Unsere Theorie ist in Übereinstimmung mit einer ebenfalls abgeleiteten Verallgemeinerung des Euklidischen Zufallsmatrizen Models. Die quantitativen Vorhersagen der Theorie passen gut zu Philipp Baumgärtel's numerischer Analyse des skalaren Euklidischen Zufallsmatrizen Models (Vogel et al. Phys. Rev. X, vol. 15:011.030, 2025)

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

Jamming, Mode-Coupling Theory, Random Matrix Theory, Dynamical Phase Transition

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ISO 690VOGEL, Florian, 2025. A Theory of Jamming and Elastic Instability in Low Temperature Amorphous Solids [Dissertation]. Konstanz: Universität Konstanz
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The universal vibrational properties of amorphous solids at low temperatures are
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July 29, 2025
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Konstanz, Univ., Diss., 2025
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