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找到玻璃玻色峰的方向序

作者:蔣敏強 2019-01-10 11:48 來源:
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  有序晶體的原子振動可描述爲一系列格波,而聲子則是這些格波的能量量子化。在太赫茲(THz)低頻段,格波可近似爲連續介質彈性波,其振動能級態密度正比于頻率的平方,服從經典的德拜模型。但是,對于所有的無序玻璃態固體,它們的低頻振動總是偏離德拜模型預測而出現態密度過剩,形成反常的“玻色峰(Boson peak)”现象。作为玻璃本征特征之一,玻色峰的物理本质在凝聚态物理领域一直存在很大争议,而澄清这一争议的关键在于找到玻色振动反常与玻璃无序结构的定量关系。近期,中國科學院力学研究所与美国约翰霍普金斯大学、英国剑桥大学合作在这一方面取得重要进展。 

  研究人員以典型CuZr金屬玻璃體系作爲廣義無序玻璃態固體模型,基于分子動力學模擬和短程序結構統計分析,找到了控制玻色峰強度與特征頻率的微觀結構參量:方向序(Orientational order)。首先,通過Voronoi多面體分割考察了體系內所有振動原子所處的不同短程序環境。緊接著,通過計算各原子的速度自相關函數,得到了處于不同局域環境原子的振動態密度以及玻色峰。研究發現,所有原子都參與了玻色峰振動,證實了玻色峰的聲子本質。但是,處于不同局域振動環境的原子對于體系玻色峰的貢獻不一樣。爲此,通過定義一個新的物理量:方向振動均方位移,考察了原子振動的各向異性。結果表明,原子低頻振動總是傾向于從原子中心到其所處Voronoi多面體的最遠頂點。這個結構矢量被定義爲玻色峰的方向序:玻色峰的強度與方向序的模長呈線性正相關,而方向序的空間分布呈現了玻色峰的准局域振動特性,並決定了玻色峰的特征頻率。最後,上述發現還得到了其它11種玻璃體系的廣泛驗證,表明了玻色峰方向序的普適性。 

  近日,該研究成果以“Structural Parameter of Orientational Order to Predict the Boson Vibrational Anomaly in Glasses”爲題,發表在Physical Review Letters(物理评论快报)。中國科學院力学研究所2015级硕士研究生杨杰为该論文第一作者,蒋敏强研究員、王云江研究員为通讯作者。该项研究工作得到了国家优秀青年科学基金、国家自然科学基金重大项目、中科院青促会等资助。 

  論文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.015501 

 

1:玻璃“玻色峰”的方向序。其中,原子(紅色圓圈)的大小代表了玻色峰強度,黑色箭頭的長度代表了方向序的模長。方向序的空間分布呈現了玻色峰的准局域振動特性。 

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