玻璃中玻色峰機制研究取得進展

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玻色峰是非晶物質的典型特征和動力學行為，涉及其組成粒子振動行為的反常性，即在THz頻率范圍，非晶物質表現(xiàn)出相對于晶體而言過高的振動態(tài)密度，其額外的聲子散射在低溫下（5~30 K）對比熱的貢獻尤為突出，導致相對于晶體而言過高的比熱。晶體材料比熱在低溫下（< 20K）與溫度的三次方成正比，德拜T3定律較好地解釋了材料低溫比熱與溫度的三次方關系。因此德拜模型被認為是量子理論在20世紀初所取得的重要進展之一，然而后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，非晶態(tài)物質（也即結構玻璃）的低溫比熱違背了德拜定律，非晶物質會在低溫下（5～30K）表現(xiàn)出相對于晶體物質過剩的比熱異常，該反?，F(xiàn)象被稱為比熱玻色峰。玻色峰已經(jīng)在結構玻璃中被普遍發(fā)現(xiàn)，并被認為是結構玻璃的典型特征和指紋，但結構玻璃中玻色峰的起源仍存在爭論。目前，多種理論均可在一定程度上解釋玻色峰現(xiàn)象，但是玻色峰的起源仍是未解之謎，因此尋找新的視角重新審視現(xiàn)有理論，并從中鑒別出玻色峰真 正的物理起源十分必要。

　　廣義的玻璃態(tài)對應著某種物理量的長程無序分布。當原子排列呈長程無序狀態(tài)時，就得到了結構玻璃（也即非晶態(tài)物質），例如氧化物玻璃、金屬玻璃等。而當長程無序分布的是某種序參量（如磁矩、電極化或晶格應變）時，則能得到相應的物性玻璃，即：自旋玻璃（序參量為磁矩）、弛豫鐵電體（序參量為電極化）或應變玻璃（序參量為晶格應變）。關于物性玻璃中是否存在低溫比熱異常以及是否存在玻色峰的研究有望為玻色峰的起源和機制提供新視角。

　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室博士后任帥（現(xiàn)為深圳大學副研究員），中科院院士、物理所研究員汪衛(wèi)華等，與西安交通大學教授丁向東、副教授宗洪祥等合作，首 次發(fā)現(xiàn)應變玻璃的低溫比熱具有與金屬玻璃類似的玻色峰異常，并發(fā)現(xiàn)該異常起源于新的聲子軟化機制。研究發(fā)現(xiàn)，應變玻璃與金屬玻璃類似，相較于其長程有序態(tài)（即馬氏體相）的低溫比熱呈現(xiàn)出過剩的比熱異常（圖1）。模擬研究也證明，該比熱異常起源于包圍著馬氏體納米疇的母相基體中的過剩振動態(tài)（圖2a，c，d），而這些過剩振動態(tài)來自于聲子譜上[001]方向的橫波聲學支的軟化（圖2b）。進一步的模擬研究排除了聲子阻尼對玻色峰的影響（圖3），并發(fā)現(xiàn)聲子軟化機制符合近期基于格林函數(shù)的針對玻色峰的普適理論的預測（圖4）。該工作有助于加深對應變玻璃的玻璃本質的理解，并為深入理解非晶材料中玻色峰的物理起源提供了新視角。

　　相關研究成果以Boson-peak-like anomaly caused by transverse phonon softening in strain glass為題，發(fā)表在Nature Communications上。研究工作得到國家自然科學基 金，中國博士后科學基 金，廣東省自然科學基 金，中科院戰(zhàn)略性先導科技專項和高等學校學科創(chuàng)新引智計劃等的資助。

　　論文鏈接

圖1. Ti_50-xNi_50+x應變玻璃(STG)具有與金屬玻璃(BMG)類似的低溫比熱異常。

圖2.應變玻璃中類玻色峰異常的結構起源。a，c，d表明過剩振動態(tài)來源于包圍馬氏體納米疇的母相基體。b表明過剩振動態(tài)對應于[001]方向橫波聲學支的軟化

　　圖3.鑒別聲子阻尼與玻色峰的關系。研究發(fā)現(xiàn)應變玻璃在[110]方向上出現(xiàn)強聲子阻尼，但該方向與類玻色峰異常無關。而[001]方向上聲子阻尼非常微弱，因此對應于該方向上的類玻色峰異常受聲子阻尼的影響可以忽略不計

　　圖4.模擬結果發(fā)現(xiàn)隨著聲子軟化逐漸減弱，相應的玻色峰逐漸向高頻移動并逐漸減弱。這一結果與近期提出的一項基于格林函數(shù)的針對玻色峰的普適理論的預測相符。