中科院力学所: 用方向序结构参量预测玻璃态物质中的玻色峰


       晶体中的原子振动可以通过格波来理解,用声子来定量描述振动能。在低频下,格波可视为连续介质弹性波,振动态密度可以通过德拜平方频率定律来近似。然而,对于长程无序的非晶体来说,其低频振动(太赫兹频率)总是偏离德拜模型预测而出现态密度过剩,形成玻色峰。这种反常现象意味着,在玻色峰频率附近,无序非晶体不可视为均匀的弹性介质,在空间上是弹性无序的。有关玻色峰的起源争议较大,一直以来都是凝聚态物理中最为有趣的问题之一。

       日前,中国科学院力学研究所的蒋敏强研究员王云江研究员(共同通讯作者)在Physical Review Letters上发表最新研究成果“Structural Parameter of Orientational Order to Predict the Boson Vibrational Anomaly in Glasses”。作者借助分子动力学模拟方法,选用Cu50Zr50非晶态为研究体系,将玻色峰分解对应到属于不同Voronoi多面体的原子的贡献,之后引入微观结构参量,将中心原子出发指向其Voronoi配位多面体的最远顶点的矢量,定义为方向序(orientational order)。这一序参量表示低频横波振动的最概然方向,其大小和玻色峰的强度成正相关,空间分布表现了玻色峰准局域振动。这种关联在多种不同类型的非晶态物质中具有普适性。

       本文用分子动力学模拟方法,对典型金属玻璃模型Cu50Zr50体系的局域态密度和玻色峰异常现象展开了研究。结果表明,所有原子都参与玻色峰频率附近的振动,但每种类型的原子对于体系玻色峰的贡献不一样,主要取决于原子振动的短程序局域环境。作者进一步识别了一系列结构矢量,定义方向序(orientational order)为每个原子中心位置指向其所处Voronoi多面体的最远顶点,作为低频横向振动的最概然方向。玻色峰的强度与方向序的模长呈线性正相关,而方向序的空间分布呈现了玻色峰的准局域振动特性,并决定了玻色峰的特征频率。最后,该工作表明提出的玻色峰方向序具有普适性。


图1:不同局域结构环境的原子的振动局域态密度



图2:原子振动位移的方向与其短程序(Voronoi构型)的局域各向异性相关



图3:对非晶体中所有原子、每类原子作平均后,得到的玻色峰强度IBP和长度参数的关联



图4:表示单个原子(红色实心圆形)的方向序(黑色箭头)的空间分布的示意图,圆形的大小表示玻色峰强度大小



图5:多种非晶态物质的玻色峰强度IBP和长度参数之间的关系

本文选自《材料人》,有编辑,题目为编者制作


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