低频本征振动模:揭开非晶固体特性之谜的钥匙



       非晶态物质是自然界的重要组成部分,而形成非晶也几乎是所有凝聚态物质的普遍的、固有性质。然而,玻璃和玻璃转变的本质仍然是一个未解之谜,并被《科学》杂志列为125个科学前沿问题之一,是最具挑战性的基础物理问题和当今凝聚态物理的重大前沿之一。非晶态材料,其独特的微观结构所表现出的优异物性,如非晶合金的软磁、耐磨、耐腐蚀、抗辐照、高强度、低温高弹性、高温延塑形、催化等物性,是新材料研究与应用领域的明星材料。


       众所周知,基于连续介质假设建立的德拜模型(Debye model)可以很好地描述晶态材料的低温物性,如比热、热导等,表明晶体的低温比热主要来源于长波声子的贡献。虽然非晶结构没有长程序,但在低温下非晶态材料仍然可以被看作连续介质;因而,理论上德拜模型应该也可以很好地描述非晶固体的低温物性。然而,大量的研究表明,非晶固体的低温比热并不遵从德拜模型,其振动模态密度的低频区域都呈现出过剩峰,即“玻色峰(boson peak)”。近年来,玻色峰被认为是非晶固体的本征属性;对非晶固体低频本征振动特性的研究是理解非晶固体物性,如动力学响应,宏观塑性等,乃至玻璃和玻璃转变本质的关键所在。


       由于非晶结构中长程序的缺失,使得运用实验手段精确测量其在倒格矢空间的各声子模及实空间对应的本征矢存在巨大挑战,因而基于模型非晶结构的模拟计算成为理解非晶低频振动模及其本征矢微观特征的主要手段。然而,通过传统分子动力学模拟手段得到的模型非晶结构,由于其在时间尺度(冷却速率>108K/s)上和真实实验上得到的块体非晶材料(通常冷却速率<102K/s)存在巨大差异,对这类模型结构本征振动特性的研究,可能并不能够帮助我们全面且正确地理解真实非晶固体的相关物性。因此,通过模拟计算获得接近实验室时间尺度的模型非晶结构,并进一步研究其本征振动特性(包括振动模态密度、软点等),探索这些特性与非晶结构稳定性的关联性,对理解真实非晶固体的相关物性至关重要。然而,受到计算方法和效率的限制,这个问题一直未得到解决。


       北京计算科学研究中心的管鹏飞研究员和王利近博士与美国Colorado State大学的Elijah Flenner 和Grzegorz Szamel教授、法国Montpellier大学的Ludovic Berthier教授以及意大利罗马第一大学的Andrea Ninarello博士合作,首次通过模拟计算研究和揭示了稳定模型玻璃(其稳定性与真实实验上得到的玻璃可比拟)的低频振动特性,这将为人们进一步理解真实玻璃中所观测到的低温反常热力学特性提供理论依据。


       研究者通过对具备不同稳定性的非晶结构模型(包括优化的swap Monte Carlo方法制备的接近实验室时间尺度的稳定结构模型)的低频振动特性的系统研究发现:玻璃体系的低频模可以标定为扩展模准局域模扩展模可以被看作是集体激发,而准局域模可以被看作是玻璃中的局域结构缺陷,根据这些准局域模式定义的软点被认为是理解玻璃剪切形变以及热响应的关键;随着玻璃体系趋于稳定,其扩展模式的比重增加,并可以很好地用德拜模型来描述可类比于晶体中的声子模式;当玻璃体系的稳定性实验室时间尺度可比较时,局域模变得非常离散和局域化可类比于晶体中的点缺陷。该研究结果第一次从原子尺度揭示了与实验室时间尺度可比拟的稳定玻璃的低频振动模式特征构建了连接模拟实验的桥梁,为进一步理解真实非晶材料结构物性关联提供了重要基础。



图:热稳定性不同的非晶体系的准局域化振动模的空间分布


       当前,非晶合金的计算模拟研究面临着挑战和机遇。如何架构起跨越理论模拟与材料实验之间桥梁是其中的重要挑战之一。而随着计算能力和计算方法,包括人工智能,高通量实验与高通量模拟等,的发展和应用,也给解决这一挑战带来重大机遇。新的研究方法、技术和模式的运用已经帮我们对一些问题有了新的认识;而也有理由相信在不久的将来,我们能够更深入地理解非晶物理与材料中的重要科学问题,如成分相关的玻璃形成能力,流变单元的预测与调控等,进而为新材料的设计与开发提供有效的理论指导。


       该研究工作得到了中国国家自然科学基金委,科技部,美国国家自然科学基金委和Simons foundation及北京计算科学研究中心的资助。成果发表于Nat.Commun.10,26(2019),论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-07978-1


撰稿人:北京计算科学研究中心 管鹏飞 王利近



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