揺らぐ拡散係数 · 二成分気体
単純な気体でも拡散係数は揺らぐ
この研究の要点
重さの異なる2種類の分子からなる希薄気体では，軽い少数成分が運動方向をすぐ忘れる一方で速さを長く保つと，拡散係数が時間的に揺らぎます．分子は進行方向をすぐ忘れても速さをしばらく保つため，動きやすさが時間とともに変化して見えます．
背景と問い
揺らぐ拡散係数は，不均一な環境や，ゆっくり変化する分子内部構造と結び付けて考えられることが一般的です．希薄な二成分気体にはそのどちらもなく，拡散係数が一定となる最も単純な系に見えます．そこで，2成分の質量差が大きく，軽い分子が少数しかない場合に，この予想が崩れるかを調べました．
どのように調べたか
希薄な剛体球気体の衝突統計から，少数成分分子を追跡するkinetic Monte Carlo法を構築し，広い質量比を調べました．軌跡，van Hove自己相関関数，ergodicity breaking parameter（エルゴード性の破れを表す指標）に加え，運動方向と速さの記憶がそれぞれ失われるまでの時間を解析しました．
主な結果
少数成分が十分軽いと，速く動く領域と遅く動く領域が軌跡上に現れ，中間時間域で変位分布が非ガウス型になりました．衝突によって運動方向の記憶はすぐに失われますが，速さの記憶は長く残ります．この2つの緩和時間が大きく離れている間は，粒子の速さがゆっくり変化する拡散係数として働き，速さの緩和後には通常のガウス拡散へ戻ります．
この研究の意味
構造的不均一性も分子内部自由度も必要としない，揺らぐ拡散係数の微視的な起源を特定しました．気体分子運動論から解析できるほど単純な機構であり，平均二乗変位は通常拡散でも変位分布は非ガウス型となるBrownian yet non-Gaussian diffusionが現れ得る系の範囲を広げます．
キーワード
揺らぐ拡散係数，二成分気体，非ガウス拡散，kinetic Monte Carlo法，緩和時間の分離．
論文情報
, “Fluctuating diffusivity emerges even in binary gas mixtures,” Physical Review E 107, 014605 (2023).