上海交大張潔研究組揭示顆粒物質中能量漲落的特殊行為

2020-11-25 上海交通大學新聞網

近日，Physical Review Letters（物理評論快報）在線發表了上海交通大學物理與天文學院和自然科學研究院張潔教授研究組關於顆粒物質中能量漲落的實驗進展。該論文被編輯遴選為Editors』 Suggestion在APS PRL的官網主頁作為亮點進行了宣傳和推送（https://journals.aps.org/prl/issues/121/24）。 他們發現對於顆粒物質這種高度耗散的非平衡態系統，在外界加載的剪切作用下，體系內部的彈性能量漲落具有新奇的隨機性和統計規律（圖a），與體系內部微觀上的塑性行為截然不同（圖b）。這種出乎意料的反常行為與一般的非晶態物質完全不同，這對於人們理解顆粒物質這種特殊體系的塑性形變具有新的突破，並且對於修正之前已有的連續介質模型，平均場模型或者探索新的統計理論都有一定的指導意義。

圖a: 體系內部能量的漲落； 圖b: 微觀塑性的分布

進一步的實驗統計發現，這種能量漲落的概率分布類似於熱力學平衡態系統的Boltzmann形式的指數分布。基於此，作者引入軟玻璃態物質的流變模型，通過能量的漲落定義出了一個有效溫度X，這個有效溫度隨外界剪切應變的演化（圖c）揭示了：

圖c：有效溫度隨剪切應變的演化；對比於體系宏觀應力演化（插圖）

顆粒固體的宏觀塑性行為可以理解為從一個深度老化的玻璃態逐漸被激發到一個類似於玻璃化轉變的處於液固邊界的臨界態——這就巧妙的把系統微觀上的動力學行為和體系宏觀的塑性行為聯繫了起來。這個結果暗示著，具有摩擦力和力鏈微結構，高度耗散的顆粒固體在塑性形變的過程中，其相空間的動力學演化結構是普適的，類似於傳統自旋玻璃，熱力學玻璃態物質(如金屬玻璃)。正如審稿人指出「這項工作的發現令人非常興奮，因為它將進一步激發這個研究方向更多的工作」！

論文的第一作者為物理系博士生鄭傑，孫愛樂，合作者還包括王宇傑教授，通訊作者為張潔教授。本工作得到了以下國家自然科學基金的資助（No.11474196 and No.11774221）。

論文連結： https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.248001

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