近日，上海交通大学物理与天文学院王宇杰课题组在《物理评论快报》上发表了题为“Experimental test of the Edwards volume ensemble for tapped granular packings”的论文。该论文被PRL编辑遴选为Editors’ Suggestion和Featured in Physics。伦敦玛丽女王大学Adrian Baule在Physics杂志中以“沙子的统计物理”对文章进行了长篇评述和推送。
颗粒物质在我们生活中无处不在，沙子、糖和咖啡粉是我们身边常见的几个例子。 对于颗粒物质的本质我们迄今没有理解。颗粒物质前期工程应用中主要利用缺乏微观机制的经验本构理论或者数值模拟来开展研究，其中离散元模拟方法需要对体系中所有粒子进行追踪计算。物理学家试图建立颗粒体系的统计物理框架，进而可以利用统计物理的研究方法来研究颗粒多体体系。但颗粒物质属于非平衡态多体系统，无法用经典的平衡态统计物理描述。上世纪90年代，剑桥大学S. F. Edwards教授及合作者提出了颗粒物质的统计力学系综框架，成为相关领域的长期以来的研究热点。简略来说，该框架将颗粒体系堆积所占的空间体积类比为平衡态中的能量（也被称作体积系综），进而导出颗粒系统的温度、熵等一系列统计力学指标。长期以来，有关体积系综的研究缺乏直接的三维实验证据；颗粒温度是否满足热力学第零定律存在争议；颗粒间摩擦对于颗粒统计力学的影响缺乏研究。中国上海交通大学的 王宇杰和 合作者开展了验证Edwards统计物理框架的相关研究，他们利用3D打印机制备了三种具有不同摩擦系数的球形颗粒样本，进而利用 CT成像技术研究了它们在不同振动强度下的稳态堆积结构。实验结果证实了体积系综框架适用于颗粒物质，给出了颗粒温度、熵等计算结果；验证了颗粒温度满足热力学第零定律；并且澄清了摩擦通过改变力学稳定堆积的态密度进而影响颗粒物质统计力学的机制。该实验工作对Edwards统计物理框架的验证，对于改变现有的DEM模拟需要对每个粒子进行计算的研究模式，建立基于微观过程统计平均而不是纯经验的颗粒宏观连续介质力学具有非常重要的意义。
论文第一作者是课题组博士后袁野，通讯作者是王宇杰教授。该工作也是课题组近期关于基于缺陷理论建立颗粒物质力学性质宏微观联系（Xing et al. Phys. Rev. Lett. 126, 048002(2021)）及相分离研究工作(Li et al., Science Advances 7, eabe8737(2021))的系列工作之一。该工作得到了国家自然科学基金11974240， 上海市优秀学术带头人基金 19XD1402100的支持。
Physics杂志评述链接：Physics - Statistical Mechanics Built on Sand (aps.org)
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