金屬玻璃中高頻橫波聲子的研究進展
聲子是晶格集體振動的元激發(fā)。上世紀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的動力學理論，成功地解釋了很多相關的物理性質(zhì)與物理現(xiàn)象，如固體的比熱、電阻、BCS超導機制等。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稱性破缺，人們對它的動力學屬性認知非常有限。非晶態(tài)的原子振動模式是怎樣的？是否存在高頻聲子？是否存在橫聲學支聲子？到目前為止，這些基本科學問題仍懸而未決，這主要是由于現(xiàn)有的實驗技術(shù)不能提供清晰的實驗數(shù)據(jù)，缺乏有效的實驗觀測。因此，對非晶材料中原子振動的研究不僅有助于非晶體系中原子振動動力學理論模型的構(gòu)建，亦將有助于加深對玻璃態(tài)本質(zhì)的認識，而后者被Science雜志列為本世紀125個最具挑戰(zhàn)性的科學難題之一。
物理系李茂枝教授（共同通訊作者）指導博士生張華平（共同第一作者），并聯(lián)合香港城市大學物理系王循理教授（共同通訊作者）、博士生李西陽（共同第一作者）和南京理工大學蘭司教授（共同第一作者）等合作，使用飛行時間非彈性中子散射技術(shù)，并結(jié)合分子動力學模擬對ZrCuAl金屬玻璃中的原子振動動力學進行了深入研究。非彈性中子散射實驗在當今世界最先進的美國散裂中子源和日本散裂中子源及美國光源的實驗譜儀進行，實現(xiàn)了在較大動量轉(zhuǎn)移下的高精度測量，首次在非晶體系中測得了高頻橫聲學支聲子振動模。實驗觀測發(fā)現(xiàn)，該無序材料中亦存在類周期性晶體材料中聲子動力學屬性的原子振動模式，既橫縱聲學模，但無光學振動模。進一步地，實驗上首次把橫聲學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，證實了非晶中高頻橫聲學支聲子的存在。分子動力學模擬發(fā)現(xiàn)，非晶材料中橫聲學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關系，表明非晶無序結(jié)構(gòu)在不同尺度上對橫聲學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。這些結(jié)果表明，橫聲學支聲子在理解非晶材料的結(jié)構(gòu)性能關系中扮演至關重要的作用。以上研究為非晶態(tài)中動力學理論模型的建立提供了新的實驗和模擬證據(jù)，對深入認識玻璃的本質(zhì)具有重要意義。相關結(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《物理評論快報》（Phys. Rev. Lett. 124, 225902 (2020)）。
該研究得到了國家自然科學基金、科技部國家重點研發(fā)計劃、香港裘槎基金、香港研究資助局等的資助。
相關工作鏈接：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)合分子動力學模擬對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得高頻橫聲學支聲子振動模。(a)(c)分別為非彈性中子散射實驗和分子動力學模擬得到的類聲子態(tài)密度分布；(b)(d)分別對應(a)(c)中數(shù)據(jù)的二次微分結(jié)果。
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? 圖2: 橫聲學支聲子半峰寬和靜態(tài)結(jié)構(gòu)因子之間的正相關關系，縱聲學支聲子不存在此對應關系。LJ勢證明此對應關系具有普適性。
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