與結(jié)構(gòu)有序的晶體不同，非晶固體中原子的空間排列混亂無序，導(dǎo)致非晶固體的本征振動(dòng)模式與晶體中的聲子有顯著差異,。德拜模型成功描述了晶體在低溫下的熱力學(xué)性質(zhì),，該模型指出，晶體的低頻聲子態(tài)密度D(ω)與頻率滿足標(biāo)度律：D(ω)～ωd-1,，其中d為空間維度,，并由此可以獲得晶體比熱c與溫度T的正確關(guān)系：c～Td。作為非晶固體的代表,，玻璃的低溫比熱不滿足上述關(guān)系,，這暗示著玻璃的低頻本征振動(dòng)態(tài)密度并不簡(jiǎn)單遵循德拜標(biāo)度律。玻璃的結(jié)構(gòu)無序?qū)е碌皖l區(qū)出現(xiàn)大量非聲子的本征振動(dòng)模式,，這些模式的態(tài)密度滿足怎樣的標(biāo)度關(guān)系是理解玻璃反常低溫?zé)釋傩缘年P(guān)鍵,，也是近年來研究和爭(zhēng)論的熱點(diǎn)。
近日,，中國(guó)科大物理學(xué)院,、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心的徐寧教授研究組與中國(guó)科大物理學(xué)院的童華教授及安徽大學(xué)物理與光電工程學(xué)院的王利近教授合作，給出了非晶固體低頻本征振動(dòng)態(tài)密度的新圖像,，相關(guān)成果以“Low-frequency vibrational density of states of ordinary and ultra-stable glasses”為題2024年2月16日在線發(fā)表于《自然?通訊》（Nature Communications）,。
圖1.二維不穩(wěn)定（左上圖）和穩(wěn)定（左下圖）非晶固體的最低頻本征振動(dòng)模式及相對(duì)應(yīng)的本征振動(dòng)模式態(tài)密度（右圖）。其中Ds(ω),、Du(ω)和D(ω)分別為穩(wěn)定固體,、不穩(wěn)定固體以及它們加權(quán)平均的態(tài)密度。
該研究創(chuàng)新性地將非晶固體依照對(duì)邊界形變的穩(wěn)定性分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩類,，發(fā)現(xiàn)這兩類非晶固體在低頻非聲子本征振動(dòng)模式的態(tài)密度上展現(xiàn)出兩種指數(shù)截然不同但魯棒的標(biāo)度律,，如圖1所示。不穩(wěn)定非晶固體的標(biāo)度指數(shù)與空間維度無關(guān),，均約為3.3,，該指數(shù)與2017年徐寧教授及合作者發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters, 2017, 119: 215502）的文章所預(yù)言的指數(shù)吻合，從而給出了該指數(shù)的物理解釋,。穩(wěn)定非晶固體的標(biāo)度指數(shù)則展現(xiàn)出了對(duì)空間維度的依賴,，約為d+3.5,，該指數(shù)形成的物理機(jī)制目前尚不清楚，但是其魯棒性為理論研究提出了新的問題,，也可以用來檢驗(yàn)相關(guān)理論,。以往的研究發(fā)現(xiàn)，非晶固體低頻本征振動(dòng)態(tài)密度的標(biāo)度指數(shù)對(duì)一些參數(shù)有依賴性,，而該研究表明,，這種參數(shù)依賴是穩(wěn)定和不穩(wěn)定非晶固體加權(quán)平均的結(jié)果，從而解決了關(guān)于非晶固體低頻本征振動(dòng)態(tài)密度標(biāo)度指數(shù)的爭(zhēng)議,，給出了統(tǒng)一的物理圖像,，深化了對(duì)非晶固體低頻振動(dòng)特性的理解。
玻璃研究歷史上存在著名的Kauzmann佯謬,，形成玻璃的過冷液體的熵隨溫度的降低有很快的下降,，如果這種趨勢(shì)一直延續(xù)，在未達(dá)到零溫之前過冷液體的熵就會(huì)低于晶體的熵,。這種趨勢(shì)顯然是不合理的,，因?yàn)檫@將最終違反熱力學(xué)第三定律。為了解決這一矛盾,，理論預(yù)言存在一個(gè)Kauzmann溫度,，在這個(gè)溫度，過冷液體將形成與晶體熵一致的理想玻璃,。該研究進(jìn)一步揭示了超穩(wěn)定玻璃在接近理想玻璃狀態(tài)時(shí)低頻本征振動(dòng)特性的演化,，發(fā)現(xiàn)非聲子模式的數(shù)目隨著溫度的降低而下降，并有可能在某溫度處完全消失,?；谠撢厔?shì)，理想玻璃的低頻本征振動(dòng)將可能由類聲子模式主導(dǎo),，雖然結(jié)構(gòu)無序,，但卻和晶體有相似的本征振動(dòng)行為，從而給出了理想玻璃可能的物理特性,，同時(shí)也為設(shè)計(jì)具有類晶體性質(zhì)的非晶材料提供了新思路,。
物理學(xué)院的博士生胥鼎和張世允分別是該工作的第一作者和共同第一作者，王利近教授和徐寧教授是共同通訊作者,。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和安徽省的支持,。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45671-8
（物理系、科研部）
