Китайські фізики вперше виміряли флуктуації енергії в почесному сипучому матеріалі, що складається з фотоупругих дисків. Для цього вчені використовували зв'язок між деформаціями дисків і поляризацією світла, що пропускається ними. У результаті дослідники виявили, що розподіл енергій підпорядковується асиметричному розподілу Больцмана, складеному з двох експонент, а в цілому система нагадує спинове скло або аморфний метал. Стаття опублікована в.
Сипучі матеріали складаються з великої кількості дрібних частинок (наприклад, піщинок), які чіпляються один за одного під час руху і втрачають енергію. Через цю властивість сипучих речовин сильно відрізняються від звичайних. Зокрема, на відміну від звичайного газу, який прагне вирівняти температуру і тиск у всьому обсязі, сипучий газ схильний до самоорганізації. Іншими словами, якщо помістити його в коробку, розділену перегородкою з отвором, рано чи пізно він повністю збереться в одній її половині. Більш того, сипучі гази можуть розігріватися навіть тоді, коли їх енергія зменшується - це пов'язано з тим, що «злипнулися» частинки втрачають ступені свободи, за якими розподіляється енергія. На жаль, в даний час фізики погано розуміють, чому сипучі матеріали так дивно поводяться. Водночас, такі матеріали часто зустрічаються на практиці (пісок, пил, зерно), а тому вчені намагаються розібратися у взаємодії дрібних частинок і побудувати універсальну теорію сипучих матеріалів.
Зокрема, для цього потрібно вивчити, як мікроскопічні флуктуації (відхилення від середнього значення) різних величин пов'язані зі зрушеними деформаціями матеріалу. Простіше кажучи, фізики хочуть з'ясувати, чи можна пов'язати такі відхилення з макроскопічними параметрами системи і описати їх в рамках класичної термодинаміки, тобто за допомогою температурного розподілу, в якому температура замінюється на зрушення. В даний час вчені детально досліджували флуктуації координат, швидкостей і кутів повороту частинок, напруги і граничні контактні сили в різних сипучих матеріалах - як в експерименті, так і за допомогою чисельного моделювання. Тим не менш, флуктуації енергії досі виміряти не вдавалося, оскільки відстежити взаємодії на рівні окремих частинок дуже складно. З іншого боку, такі вимірювання дозволили б перевірити цілий ряд правдоподібних теорій - наприклад, гідродинамічні описи, теорії зрушень і м'якої склоподібної реології.
Група фізиків під керівництвом Цзе Чжена (Jie Zheng) вперше експериментально виміряла флуктуації енергії в почесній системі фотоупругих дисків, насипаних на прямокутну підкладку. Половина дисків мала діаметр 7 міліметрів, інша половина - 10 міліметрів (вчені вибрали співвідношення 1:1, щоб уникнути кристалізації). Спочатку система здавлювалася рівномірно з усіх боків, проте в ході досвіду вчені деформували її, покроково зрушуючи боковий шар дисків на 0,3 відсотка від довжини шару. У результаті напруга сипучого матеріалу монотонно збільшувалася, а при досягненні певного порогу починало коливатися біля постійного значення. Взагалі кажучи, вчені розглядали системи, які містили від 500 до 7000 дисків, проте не виявили ніякої залежності від їх числа (якщо число частинок перевищувало 2000). Крім того, дослідники повторювали досвід при різних значеннях коефіцієнта тертя між дисками і кінцевого зрушення, проте це також не вплинуло на результати. Тому в підсумковій версії статті фізики наводять тільки один приватний випадок.
Вимірювання вчених були засновані на наступній властивості частинок. З одного боку, коли фотоупругий диск деформуються, його діелектрична проникність змінюється, і проходить крізь нього світло поляризується; чим сильніша деформація, тим помітніше спотворюється світло. На практиці таке спотворення можна побачити, розтягуючи пластикову вилку, - якщо вилка зроблена з фотоупругого матеріалу, на ній проступлять кольорові смуги. З іншого боку, в упругому режимі (тобто при порівняно невеликих деформаціях) величина деформації диска однозначно пов'язана з енергією. Отже, енергію дисків можна виміряти, пропускаючи крізь систему монохроматичне світло і відстежуючи його поляризацію. Правда, насправді вчені використовували більш точний метод - відстежували по поляризації світла сили, які діють на диск в кожен момент часу, а потім інтегрували їх і вираховували вироблену роботу.
За допомогою цього методу вчені «зняли» енергії дисків у кожен момент часу і побудували розподіл ймовірностей, який описує її відхилення від середнього значення. Крім того, дослідники розрахували кореляційну функцію між розподілом енергії і напруги між вихідною і деформованою системою. Виявилося, що кореляція між енергіями практично відразу зникає, а потім починає періодично коливатися близько нуля, в той час як кореляційна функція напружень падає експоненціально. Така поведінка вказує на те, що флуктуації енергії можна описати за допомогою теплового шуму. Цю гіпотезу також підтверджує розподіл енергій, який можна описати за допомогою асиметричного розподілу Больцмана, що являє собою суму двох експоненціальних розподілів з різними масштабами енергій.
Виходячи з цих залежностей, автори статті підсумовують, що досліджувана система нагадує спинове скло або аморфний метал (bulk metal glass), а також посилаються на кілька теоретичних статей, які передбачали схожу поведінку. Втім, вчені не намагаються пояснити результати своїх вимірювань, обмежуючись вказівкою на можливі схожості з іншими системами.
В даний час фізики активно досліджують властивості сипучих матеріалів. Наприклад, у грудні минулого року фізики з Іспанії та Мексики перевірили, як обертання впорядковує сипучу рідину, що складається з гральних кубиків - виявилося, що фазовий перехід між упорядкованою і неупорядкованою фазами відбувається тільки в тому випадку, якщо прискорення рідини перевищує певний поріг. У лютому 2018 вчені з США і Німеччини досліджували аналогічні переходи в системі сфер, поміщених в акваріум з періодично зрушуваними стінками. Того ж місяця дослідники з Бельгії та Франції виявили, що сипучий матеріал, зібраний з кулькових ланцюжків, нагадує полімери - зокрема, сила тертя, яку відчуває зонд, що занурюється в матеріал, експоненційно зростає з глибиною проникнення. А в травні німецькі вчені вперше побачили, як охолоджується сипучий газ з тонких мідних паличок, поміщених у невагомість.