金屬玻璃中高頻橫波聲子的研究進(jìn)展
聲子是晶格集體振動(dòng)的元激發(fā)。上世紀(jì)30年代人們通過引入這一量子化概念建立的晶體材料中晶格振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)理論，成功地解釋了很多相關(guān)的物理性質(zhì)與物理現(xiàn)象，如固體的比熱、電阻、BCS超導(dǎo)機(jī)制等。另一方面，自然界中還存在大量原子排列無序的非晶態(tài)固體，其原子的無序排列造成了空間平移對(duì)稱性破缺，人們對(duì)它的動(dòng)力學(xué)屬性認(rèn)知非常有限。非晶態(tài)的原子振動(dòng)模式是怎樣的？是否存在高頻聲子？是否存在橫聲學(xué)支聲子？到目前為止，這些基本科學(xué)問題仍懸而未決，這主要是由于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)不能提供清晰的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，缺乏有效的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。因此，對(duì)非晶材料中原子振動(dòng)的研究不僅有助于非晶體系中原子振動(dòng)動(dòng)力學(xué)理論模型的構(gòu)建，亦將有助于加深對(duì)玻璃態(tài)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，而后者被Science雜志列為本世紀(jì)125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題之一。
物理系李茂枝教授（共同通訊作者）指導(dǎo)博士生張華平（共同第一作者），并聯(lián)合香港城市大學(xué)物理系王循理教授（共同通訊作者）、博士生李西陽(yáng)（共同第一作者）和南京理工大學(xué)蘭司教授（共同第一作者）等合作，使用飛行時(shí)間非彈性中子散射技術(shù)，并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)ZrCuAl金屬玻璃中的原子振動(dòng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入研究。非彈性中子散射實(shí)驗(yàn)在當(dāng)今世界最先進(jìn)的美國(guó)散裂中子源和日本散裂中子源及美國(guó)光源的實(shí)驗(yàn)譜儀進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了在較大動(dòng)量轉(zhuǎn)移下的高精度測(cè)量，首次在非晶體系中測(cè)得了高頻橫聲學(xué)支聲子振動(dòng)模。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，該無序材料中亦存在類周期性晶體材料中聲子動(dòng)力學(xué)屬性的原子振動(dòng)模式，既橫縱聲學(xué)模，但無光學(xué)振動(dòng)模。進(jìn)一步地，實(shí)驗(yàn)上首次把橫聲學(xué)支聲子從具有色散的高頻橫縱混合聲子態(tài)密度中分離出來，證實(shí)了非晶中高頻橫聲學(xué)支聲子的存在。分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，非晶材料中橫聲學(xué)支聲子半峰寬與靜態(tài)結(jié)構(gòu)因子之間存在普適的正相關(guān)關(guān)系，表明非晶無序結(jié)構(gòu)在不同尺度上對(duì)橫聲學(xué)聲子的散射程度不同，且散射程度與非晶結(jié)構(gòu)的短程序和中程序密切相關(guān)。這些結(jié)果表明，橫聲學(xué)支聲子在理解非晶材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系中扮演至關(guān)重要的作用。以上研究為非晶態(tài)中動(dòng)力學(xué)理論模型的建立提供了新的實(shí)驗(yàn)和模擬證據(jù)，對(duì)深入認(rèn)識(shí)玻璃的本質(zhì)具有重要意義。相關(guān)結(jié)果以題名為“Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses”于2020年6月5日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Phys. Rev. Lett. 124, 225902 (2020)）。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、香港裘槎基金、香港研究資助局等的資助。
相關(guān)工作鏈接：Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses.?
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.225902
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圖1:中子散射結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)ZrCuAl金屬玻璃中類聲子屬性的研究。此研究結(jié)果首次在非晶體系中測(cè)得高頻橫聲學(xué)支聲子振動(dòng)模。(a)(c)分別為非彈性中子散射實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的類聲子態(tài)密度分布；(b)(d)分別對(duì)應(yīng)(a)(c)中數(shù)據(jù)的二次微分結(jié)果。
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? 圖2: 橫聲學(xué)支聲子半峰寬和靜態(tài)結(jié)構(gòu)因子之間的正相關(guān)關(guān)系，縱聲學(xué)支聲子不存在此對(duì)應(yīng)關(guān)系。LJ勢(shì)證明此對(duì)應(yīng)關(guān)系具有普適性。
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