中国科学家从独特视角研究非晶固体负载不稳定性取得重要进展


       中国科技大学物理学院徐宁教授与美国宾夕法尼亚大学Andrea J. Liu教授、美国芝加哥大学Sidney R. Nagel教授合作,在非晶固体特别是Jammed固体和玻璃态的振动特性研究中取得一系列重要研究成果。最近,他们在非晶固体负载不稳定性的研究中又取得了重要进展,相关成果11月20日在线发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。玻璃是典型的非晶固体,它通常处于复杂能量图景(Energy Landscape)中的一些亚稳态上。玻璃随着时间的推移会缓慢老化,说明它在低于玻璃化转变温度的状态下仍然会在能量图景中游走。然而,玻璃是如何在复杂能量图景中游走的一直是理论和计算模拟的挑战。这主要源于玻璃的非平衡特性,能量图景中存在数目极大的亚稳态,在计算模拟中穷举出足够多的亚稳态存在着极大的困难。


       徐宁教授和合作者绕开了穷举的困难,通过聚焦和初始不稳定相关联的低能量势垒,从独特的视角出发探讨能量图景的特性以及玻璃在能量图景中游走的行为。他们以最简单的非晶体系Marginally Jammed(边际堵塞或轻度堵塞)固体作为研究对象,希望以最简单的模式探讨本质问题。Jammed固体广义上是具有纯排斥相互作用、依靠挤压固化的玻璃。这类非晶固体具有Marginal Stability(边际稳定性),在压缩或剪切作用下会呈现不稳定、发生类似雪崩的塑性形变。在没有热运动的情况下,这种不稳定的发生对应于势垒的消失,因此,该初始不稳定与Jammed固体中存在的特别低的能量势垒密切相关。
 


二维Jammed固体在经历压缩(左)和剪切(右)不稳定过程中的位形和粒子位移场(箭头)。

       该研究团队在Catastrophe Theory(灾难理论)所描述的Fold Instability(折叠不稳定)的理论框架下,理论预言了与初始不稳定相关联的能量势垒随体系形变的演化行为,与模拟的结果高度吻合,突出了势垒的非简谐性在初始不稳定的产生以及玻璃在能量图景中游走的关键性。虽然以往已经有了许多玻璃在外力驱动下雪崩行为的研究,但是对势垒非简谐性的统计表征还几乎没有报道。初始不稳定(对应于玻璃由一个亚稳态游走到另一个亚稳态)的统计研究能够为我们提供许多重要的信息,特别是反映出Jammed固体具有普适的非简谐特性,例如,该研究表明Jammed固体的低能势垒呈现出幂律分布,并且预言了由初始不稳定导致的Jammed固体低频本征振动模态密度与频率的三次方成正比,该预言或许能够给出玻璃在低温情况下反常热容的经典物理解释。



       该工作得到了国家自然科学基金委和中国科大创新团队培育基金的支持。

附论文链接:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.215502

消息来源:中国科技大学物理学院、科研部


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