研究揭示了弹性界面粗糙度的对称性破坏

非平衡统计物理中的类问题涉及随机介质中弹性界面的驱动动力学。例子包括无序固体中裂纹前沿的应力驱动传播、无序铁磁体中由外加磁场驱动的畴壁运动，以及流体前沿侵入多孔介质的动力学——例如，当洒在桌子上的咖啡被桌布吸收时.

这种界面的一个关键特征是它们的粗糙形态，源于材料中的各种缺陷导致的淬火无序、界面的弹性和外部驱动力之间的相互作用。

传统上，随机介质中弹性界面的粗糙度由单个数字表征，即所谓的粗糙度指数，参数化界面的自仿射分形缩放行为。根据计算物理学教授和这项研究的负责人LasseLaurson的说法，这种简单的描述现在已被证明是不完整的。

“人们还需要考虑这样一个事实，即外部驱动力将界面推向特定方向，从而破坏了位移大于或小于平均位移的界面段之间的对称性，”劳森说。

通过使用来自随机介质中弹性界面的各种不同模型系统的模拟数据，研究人员发现这种破坏的对称性表现在界面粗糙度的几个属性中。

“首先，我们发现局部界面位移的分布表现出非零偏度，我们将其归因于滞后于界面其余部分的强钉扎界面段，”执行大部分数值模拟的研究助理EskoToivonen说。研究的数据分析。

时间序列分析揭示了缩放特性

之后，研究人员继续研究不同尺度上界面段的缩放特性，分别考虑滞后或领先于界面平均位移的界面段。为此，他们采用了基于去趋势波动分析(DFA)方法扩展的时间序列分析工具，该方法之前由参与该研究的计算物理学教授EsaRäsänen领导的小组开发。研究人员发现，表征界面粗糙度的比例指数的值取决于人们是在观察滞后的界面段还是领先于平均界面位移的界面段。

“有趣的是，由于外力而破坏的对称性在比例指数的值中也可见，因为这一观察挑战了界面粗糙度可以用单个粗糙度指数来表征的普遍观点。而不是单个指数，一个需要考虑整个局部缩放指数，”劳森说。

研究中使用的DFA方法的扩展最初是由博士研究员和研究参与者MattiMolkkari开发的，用于研究动态心跳相关性等现象。Molkkari还在EsaRäsänen小组中工作。

“在不同的环境中应用开发的工具是一个有趣的练习，”Molkari说。

“我们在这种新颖的背景下使用的时间序列分析工具可能会对粗糙界面的研究产生重大影响。这促使我们进一步开发我们的方法，”Räsänen补充道。

该研究于2022年10月18日发表在《物理评论快报》杂志上。