近日，上海交通大學物理與天文學院王宇傑課題組在《物理評論快報》上發表了題為“Experimental test of the Edwards volume ensemble for tapped granular packings”的論文。該論文被PRL編輯遴選為Editors’Suggestion和Featured in Physics。倫敦瑪麗女王大學Adrian Baule在Physics雜誌中以“沙子的統計物理”對文章進行了長篇評述和推送。
顆粒物質在我們生活中無處不在，沙子、糖和咖啡粉是我們身邊常見的幾個例子。對於顆粒物質的本質我們迄今沒有理解。顆粒物質前期工程應用中主要利用缺乏微觀機制的經驗本構理論或者數值模擬來開展研究，其中離散元類比方法需要對體系中所有粒子進行追跡計算。物理學家試圖建立顆粒體系的統計物理框架，進而可以利用統計物理的研究方法來研究顆粒多體體系。但顆粒物質屬於非平衡態多體系統，無法用經典的平衡態統計物理描述。上世紀90年代，劍橋大學S. F. Edwards教授及合作者提出了顆粒物質的統計力學系綜框架，成為相關領域的長期以來的研究熱點。簡略來說，該框架將顆粒體系堆積所占的空間體積類比為平衡態中的能量（也被稱作體積系綜），進而匯出顆粒系統的溫度、熵等一系列統計力學名額。長期以來，有關體積系綜的研究缺乏直接的三維實驗證據；顆粒溫度是否滿足熱力學第零定律存在爭議；顆粒間摩擦對於顆粒統計力學的影響缺乏研究。中國上海交通大學的王宇傑和合作者開展了驗證Edwards統計物理框架的相關研究，他們利用3D打印機製備了三種具有不同摩擦係數的球形顆粒樣本，進而利用CT成像科技研究了它們在不同振動强度下的穩態堆積結構。實驗結果證實了體積系綜框架適用於顆粒物質，給出了顆粒溫度、熵等計算結果；驗證了顆粒溫度滿足熱力學第零定律；並且澄清了摩擦通過改變力學穩定堆積的態密度進而影響顆粒物質統計力學的機制。該實驗工作對Edwards統計物理框架的驗證，對於改變現有的DEM類比需要對每個粒子進行計算的研究模式，建立基於微觀過程統計平均而不是純經驗的顆粒宏觀連續介質力學具有非常重要的意義。
論文第一作者是課題組博士後袁野，通訊作者是王宇傑教授。該工作也是課題組近期關於基於缺陷理論建立顆粒物質力學性質宏微觀聯系（Xing et al. Phys. Rev. Lett. 126，048002（2021））及相分離研究工作（Li et al.，Science Advances 7，eabe8737（2021））的系列工作之一。該工作得到了國家自然科學基金11974240，上海市優秀學術帶頭人基金19XD1402100的支持。
論文連結：Phys.Rev.Lett.127，018002（2021）- Experimental Test of the Edwards Volume Ensemble for Tapped Granular Packings（aps.org）
Physics雜誌評述連結：Physics - Statistical Mechanics Built on Sand（aps.org）
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