具有短程和长程相互作用的硬球自由冷却相图

我们研究了自由冷却颗粒气体的稳定性、团簇化及相图。该系统由具有额外非接触（长程）相互作用的单分散粒子组成，此处采用事件驱动分子动力学算法，结合离散（短程肩或阱）势进行模拟（涵盖 2D 和 3D 情形）。令人惊讶的是，结果与平均场理论高度吻合，该理论仅修改了能量耗散项以同时考虑排斥或吸引的非接触相互作用。正如直觉所示，吸引势增强了冷却和结构形成（团簇化），而排斥势则减弱了这些效应。系统演化由单一参数控制：按涨落动能（颗粒温度）标度的非接触势强度。当该参数较小时，如预期那样，系统处于经典的均匀冷却态。然而，如果有效耗散足够强，结构形成便会发生，随后（在排斥势情形下）非接触力变得足够强以消除团簇化（这是由于颗粒温度的持续耗散所致）。对于排斥势和吸引势，在均匀机制下，当使用（逆）控制参数而非时间作为演化变量时，冷却表现出普适行为。正如稳定性分析所预测，向非均匀机制的转变受耗散和势强度的共同影响。这可表述为一个相图，其中系统随时间变化，这为未来的研究留下了许多挑战。