進展 | 金屬玻璃中類聲子屬性研究進展

2020-09-10 中科院物理所

聲子是晶格集體振動的元激發。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與物理現象，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長程排列無序的非晶態固體，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，這主要是由於現有的實驗技術不能提供清晰的實驗數據，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於非晶體系中原子振動動力學理論模型的構建，亦將有助於加深對玻璃態本質的認識，而後者被Science雜誌列為本世紀125個最具挑戰性的科學難題之一。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心博士生李西陽（現加拿大UBC博士後），在物理所北京散裂中子源靶站譜儀工程中心王芳衛研究員與香港城市大學物理系王循理教授共同指導下，聯合中國人民大學物理系李茂枝教授、博士生張華平，南京理工大學蘭司教授等合作者，使用飛行時間非彈性中子散射技術結合分子動力學模擬對ZrCuAl46 46 8金屬玻璃中的原子振動動力學進行了深入研究。實驗觀測發現，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密度中分離出來(圖一)，證實了非晶中高頻橫聲學支聲子的存在。分子動力學模擬發現，非晶材料中橫聲學支聲子半峰寬與靜態結構因子之間存在普適的正相關關係(圖二)，表明橫聲學支聲子在理解非晶材料的結構性能關係中扮演至關重要的作用。以上研究結果為非晶態中動力學理論模型的建立提供了新的實驗證據，對深入認識玻璃的本質具有重要意義。相關結果以題名為「Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses」發表在Physical Review Letters雜誌上。

此工作實驗上使用了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，由中美日三國科學家合作完成，首次在非晶體系中測得了高頻橫聲學支聲子振動模。該研究得到了香港裘槎基金（9500034）、香港研究資助局(JLFS/P-102/18)、國家自然科學基金（51571170, 51871120, 51631003, 11675255）、科技部國家重點研發計劃（2016YFA0401503, 2016YFA0401501）、973計劃（2015CB856800）等的資助。

相關工作連結：Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses.

圖1:中子散射結合分子動力學模擬對Zr46Cu46Al8金屬玻璃中類聲子屬性的研究。此研究結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密度分布；(b)(d)分別對應(a)(c)中數據的二次微分結果。

圖2: 橫聲學支聲子半峰寬和靜態結構因子之間的正相關關係，縱聲學支聲子不存在此對應關係。LJ勢證明此對應關係具有普適性。

編輯：小林綠子

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