中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
BSNS供稿
第48期
2020年06月17日
金屬玻璃中類聲子屬性研究進展

  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?到目前爲止,這些基本科學問題仍懸而未決,這主要是由于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于非晶體系中原子振動動力學理論模型的構建,亦將有助于加深對玻璃態本質的認識,而後者被Science雜志列爲本世紀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阳(现加拿大UBC博士后),在物理所北京散裂中子源靶站谱仪工程中心王芳卫研究員与香港城市大学物理系王循理教授共同指导下,联合中国人民大学物理系李茂枝教授、博士生张华平,南京理工大学兰司教授等合作者,使用飞行时间非弹性中子散射技术结合分子动力学模拟对Zr46Cu46Al8金属玻璃中的原子振动动力学进行了深入研究。实验观测发现,该无序材料中亦存在类周期性晶体材料中声子动力学属性的原子振动模式,既横纵声学模,但无光学振动模。进一步地,实验上首次把横声学支声子从具有色散的高频横纵混合声子态密度中分离出来(图一),证实了非晶中高频横声学支声子的存在。分子动力学模拟发现,非晶材料中横声学支声子半峰宽与静态结构因子之间存在普适的正相关关系(图二),表明横声学支声子在理解非晶材料的结构性能关系中扮演至关重要的作用。以上研究结果为非晶态中动力学理论模型的建立提供了新的实验证据,对深入认识玻璃的本质具有重要意义。相关结果以题名为“Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses”发表在Physical Review Letters杂志上。

  此工作实验上使用了当今世界最先进的美国散裂中子源和日本散裂中子源及美国光源的实验谱仪,由中美日三国科学家合作完成,首次在非晶体系中测得了高频横声学支声子振动模。该研究得到了香港裘槎基金(9500034)、香港研究资助局(JLFS/P-102/18)、国家自然科学基金(51571170, 51871120, 51631003, 11675255)、科技部国家重点研发计划(2016YFA0401503, 2016YFA0401501)、973计划(2015CB856800)等的资助。

相关工作链接:Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses. 
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.225902


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)分別爲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。


图2: 横声学支声子半峰宽和静态结构因子之间的正相关关系,纵声学支声子不存在此对应关系。LJ势证明此对应关系具有普适性。