中科院力學所Phys. Rev. Lett.: 用方向序結構參量預測玻璃態物質中的玻色峰

【引言】

晶體中的原子振動可以通過格波來理解，用聲子來定量描述振動能。在低頻下，格波可視為連續介質彈性波，振動態密度可以通過德拜平方頻率定律來近似。然而，對于長程無序的非晶體來說，其低頻振動（太赫茲頻率）總是偏離德拜模型預測而出現態密度過剩，形成玻色峰。這種反常現象意味著，在玻色峰頻率附近，無序非晶體不可視為均勻的彈性介質，在空間上是彈性無序的。有關玻色峰的起源爭議較大，一直以來都是凝聚態物理中最為有趣的問題之一。

【成果簡介】

近日，中國科學院力學研究所的蔣敏強研究員、王云江研究員（共同通訊作者）在Physical Review Letters上發表最新研究成果“Structural Parameter of Orientational Order to Predict the Boson Vibrational Anomaly in Glasses”。作者借助分子動力學模擬方法，選用Cu₅₀Zr₅₀非晶態為研究體系，將玻色峰分解對應到屬于不同Voronoi多面體的原子的貢獻，之后引入微觀結構參量，將中心原子出發指向其Voronoi配位多面體的最遠頂點的矢量，定義為方向序(orientational order)。這一序參量表示低頻橫波振動的最概然方向，其大小和玻色峰的強度成正相關，空間分布表現了玻色峰準局域振動。這種關聯在多種不同類型的非晶態物質中具有普適性。

【圖文導讀】

圖1：不同局域結構環境的原子的振動局域態密度。

(a)Cu₅₀Zr₅₀非晶態的約化VDOS，點劃線表示Debye能級；

(b)被不同Voronoi多面體包圍的Cu原子的約化VDOS；

(c)被不同Voronoi多面體包圍的Zr原子的約化VDOS；

(d)非晶態中不同原子類型和整體的玻色峰強度I_BP與特征頻率ω_BP的比值。

圖2：原子振動位移的方向與其短程序（Voronoi構型）的局域各向異性相關。

(a)某一原子的Voronoi多面體的示意圖（藍色實線），紅色箭頭：原子振動位移 ，綠色箭頭：由每個原子中心指向其Voronoi多面體頂點的矢量 ；

(b)對于非晶體中所有原子平均得到的 不同取值， 在 方向上的投影。

圖3：對非晶體中所有原子、每類原子作平均后，得到的玻色峰強度I_BP和長度參數的關聯。

圖4：表示單個原子（紅色實心圓形）的方向序 （黑色箭頭）的空間分布的示意圖，圓形的大小表示玻色峰強度大小。

(a)過X-Y面的平面圖；

(b)過X-Z面的平面圖；

(c)過Y-Z面的平面圖；

(d)圖(c)中虛線方框部分的局部放大圖。

圖5：多種非晶態物質的玻色峰強度I_BP和長度參數之間的關系。

【小結】

本文用分子動力學模擬方法，對典型金屬玻璃模型Cu₅₀Zr₅₀體系的局域態密度和玻色峰異常現象展開了研究。結果表明，所有原子都參與玻色峰頻率附近的振動，但每種類型的原子對于體系玻色峰的貢獻不一樣，主要取決于原子振動的短程序局域環境。作者進一步識別了一系列結構矢量，定義方向序(orientational order)為每個原子中心位置指向其所處Voronoi多面體的最遠頂點，作為低頻橫向振動的最概然方向。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準局域振動特性，并決定了玻色峰的特征頻率。最后，該工作表明提出的玻色峰方向序具有普適性。

文獻鏈接：Structural Parameter of Orientational Order to Predict the Boson Vibrational Anomaly in Glasses（Phys. Rev. Lett.，2019，DOI：10.1103/PhysRevLett.122.015501）

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