Hard-type anharmonicity gap discrete breather in 2D biatomic crystal

Abstract

Spatially localized nonlinear oscillations in the form of a discrete breather (DB) is a recently discovered phenomenon widely investigated in different physical systems due to its potential impact on the structure and dynamics of those systems. Our molecular dynamics research is focused on the variety of DB in crystals. Depending on the type of the crystal and corresponding phonon spectrum one can get a gap DB or a DB with the frequency above the phonon spectrum. Most of gap DBs previously addressed in the literature were characterized by a soft nonlinearity type with frequencies splitting off from the upper edge of the phonon spectrum gap. In this work we managed to excite a hard nonlinearity type DB with a frequency within the band gap. In order to achieve this goal we have excited four types of delocalized vibrational modes in biatomic crystal with atomic mass difference m 1 / m 2 = 10 providing the existence of sufficiently wide phonon band gap. Analysis of amplitude-frequency dependences of two of those modes obtained in molecular dynamics simulations revealed the hard nonlinearity type with the frequency within the spectrum. The fourth mode with moving heavy atoms had the frequency within the band gap growing with the amplitude. Application of localization function with radial symmetry to this delocalized vibrational mode allowed us to obtain a DB with hard nonlinearity type in the band gap within the considered model of the crystal. Properties of the DB were analyzed.Keywords: nonlinear dynamics, 2D lattice, phonon band, discrete breather. Пространственно локализованные нелинейные колебания в форме дискретных бризеров были открыты около трех десятилетий назад и в настоящее время являются объектом для интенсивного изучения в различных физических системах ввиду возможности их значительного влияния на структуру и динамику этих систем. Наша работа по-священа молекулярно-динамическому исследованию возможного многообразия конфигураций и типов дискретных бризеров в кристаллах. В зависимости от типа кристалла и его фононного спектра могут быть реализованы дискрет-ные бризеры с частотой выше фононного спектра либо в его щели. Большинство описанных в литературе бризеров с частотой в щели фононного спектра характеризовались мягким типом нелинейности амплитудно-частотная зави-симость которых отщеплялась от верхней границы щели. В данной работе нам удалось возбудить бризер с жестким типом нелинейности частота которого отщепляется от нижней границы спектра и сконцентрирована на тяжелых 328 Semenov et al. / Letters on materials 7 (3), 2017 pp. 327-331 атомах биатомной решетки. Для этого в двумерном модельном кристалле стехиометрии A3B с разницей масс тяже-лых и легких атомов m 1 / m 2 = 10 были возбуждены несколько коротковолновых фононных мод с волновым вектором на границе первой зоны Бриллюэна. Анализ полученной посредством моделирования амплитудно-частотной зави-симости мод локализованных на легких атомах решетки выявил жесткий тип нелинейности и частоту в пределах фононного спектра. Для случая локализации моды на тя...