Physical Review Letters: 金屬玻璃中高頻橫波聲子的重要研究進展

【引言】

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？到目前為止，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，而后者被Science雜志列為本世紀125個最具挑戰性的科學難題之一。

【成果簡介】

近日，香港城市大學物理系王循理教授（通訊作者）指導博士生李西陽（第一作者），聯合中國人民大學物理系李茂枝教授（共同通訊作者）、博士生張華平（共同第一作者），南京理工大學蘭司教授（共同第一作者）等合作者，使用非彈性中子散射技術結合分子動力學模擬對典型鋯銅鋁金屬玻璃中的原子振動動力學進行了深入研究。非彈性中子散射實驗在當今世界最先進的美國散裂中子源和日本散裂中子源及美國光源的實驗譜儀進行，實現了在較大動量轉移下的高精度測量，首次在非晶體系中測得了高頻橫聲學支聲子振動模。實驗觀測發現，該無序材料中亦存在類周期性晶體材料中聲子動力學屬性的原子振動模式，既橫縱聲學模，但無光學振動模。進一步地，實驗上首次把橫聲學支聲子從具有色散的高頻橫縱混合聲子態密度中分離出來(圖1、圖2)，證實了非晶中高頻橫聲學支聲子的存在。分子動力學模擬發現，非晶材料中橫聲學支聲子半峰寬與靜態結構因子之間存在普適的正相關關系(圖3、圖4)，表明橫聲學支聲子在理解非晶材料的結構性能關系中扮演至關重要的作用。以上研究結果為非晶態中動力學理論模型的建立提供了新的實驗證據，對深入認識玻璃的本質具有重要意義。相關結果以題名為“Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses”發表在Physical Review Letters雜志上。

該研究得到了香港裘槎基金（9500034）、香港研究資助局(JLFS/P-102/18)、國家自然科學基金（51571170, 51871120, 51631003, 11675255）、科技部國家重點研發計劃（2016YFA0401503, 2016YFA0401501）、973計劃（2015CB856800）等的資助。

【圖文導讀】

圖1：實驗測量室溫下Zr₄₆Cu₄₆Al₈金屬玻璃的動態與靜態結構因子。

(a)中子非彈性散射所測量的動態結構因子S(Q,E)，虛線表征無序體系中的準布里淵區，其函數關系為 E_0*, 其中Q_max = 2.74 ?^-1 對應靜態結構因子第一峰位，而E₀ = 19.02 meV是振動的愛因斯坦頻率；(b)中子散射與X光散射所測量的靜態結構因子S(Q)，兩者符合很好，結果均表明樣品處于非晶態。

圖2：中子散射結合分子動力學模擬對ZrCuAl金屬玻璃中類聲子屬性。

(a)和(c)分別為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)和(d)分別對應(a)和(c)中數據的二次微分結果；(e)和(f)分別計算得到的縱向與橫向聲子的態密度分布，結果表明，橫聲學支在Q= 3.8 ?^-1附近具有最大強度。(a)(c)(e)(f)中的橄欖色和洋紅色曲線是基于無序系統的色散理論所計算的縱向和橫向聲子的色散關系，而綠線和黃線則是通過超聲共振法測量得到的縱向和橫向聲子在長波極限下的線性色散，這些數據在低Q區是一致的。(c)(e)(f)中的藍色五角星標志著第二準布里淵區的邊界，而高頻橫向聲子在這里出現。

圖3：分子動力學模擬所揭示的振動特性。

總的以及各類原子的振動態密度，作為對比，中子非彈性散射所測量的結果也在其中；(b)每個振動模式的參與度；(c) E=17meV處振動模式對橫波與縱波投影后的態密度隨波矢Q的變化，峰位表示這些振動模式具有某些特殊Q值的平面波特性；(d)E = 10, 17, 23 meV等三個不同能量處振動模式對橫波投影后的態密度隨Q值的變化，可以看出，E=17meV處的振動模式在Q= 3.8 ?^-1處有橫向平面波特征，而其他兩個沒有。

圖4：聲子半峰寬與靜態結構因子之間的關聯。

(a)在金屬玻璃中，橫聲學支聲子半峰寬和靜態結構因子之間的正相關關系，縱聲學支聲子不存在此對應關系；(b)在LJ勢的模型玻璃體系中，橫聲學支聲子半峰寬亦與結構因子靜態也具有類似的一一對應關系，證明此對應關系具有普適性。

【小結】

綜上，通過先進的非彈性中子散射測量，證實了在非晶體系中存在高頻橫聲學支聲子。研究表明，非晶無序結構在不同尺度上對橫聲學聲子的散射程度不同，并且與靜態結構因子之間存在對應關系。這些發現對認識非晶的結構性能關系以及玻璃的本質等提供了新的實驗證據和理論思路。

文獻鏈接：Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses.?https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.225902

王循理教授簡介：王循理教授是香港城市大學/深圳研究院講座教授、系主任，從事中子和同步輻射散射在材料科學中的研究工作逾三十余年，曾領導建設美國橡樹嶺國家實驗室散裂中子源八臺譜儀的建設（包括著名的工程應力譜儀VULCAN），在Science、Nature Materials、Nature Communications、Physical Review Letters等發表SCI論文250多篇，應邀作特約報告100次。香港城市大學王循理教授團隊利用原位中子散射、同步輻射X-射線散射等手段研究復雜材料包括非晶合金、形狀記憶合金、高熵合金等先進合金材料相關的相變、力學性能及磁性相關前沿科學問題。早期工作獲美國焊接協會A. F. Davis 獎章，2008年中國科學院海外知名學者稱號，2009年被中國教育部授予長江講座教授, 2010年當選為美國物理學會會士（APS Fellow），2015年發起高登中子散射會議（Gordon Research Conference on Neutron Scattering），并擔任首屆會議主席，2017年獲美國科學促進會理事（AAAS Fellow），2020年當選美國中子散射學會會士（NSSA）。王教授曾多次受命于美國能源部基礎科學辦公室，為美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室先進中子源和阿貢國家實驗室同步輻射中心的評審委員會擔任評委，2015起擔任中國科學院重大科技基礎設施咨詢委員會委員。

李茂枝教授簡介：中國人民大學物理系教授。2001年于中科院物理研究所獲得理學博士學位，2001-2007年期間，在美國Ames國家實驗室從事博士后和助理研究員工作。2007年10月加入中國人民大學物理系，一直從事過冷液體和非晶合金的微觀結構表征、動力學、力學性質以及玻璃轉變機制等前沿、關鍵科學問題的理論和計算模擬研究。在PRL、Nature Commun.等學術期刊發表論文70余篇。曾獲得北京市科學技術一等獎，中科院杰出科技成就獎，2011年入選教育部新世紀人才支持計劃。目前擔任中國物理學會非晶態物理專業委員會委員。

蘭司教授簡介：現任南京理工大學材料學院格萊特納米研究院副所長、教授，曾為香港城市大學物理系/深圳研究院研究員，一直從事大塊金屬玻璃及形成液體中液態相變相-關領域的研究工作，自博士、博士后、以及工作以來，以同步輻射和中子散射及透射電鏡等先進研究手段，在一系列金屬玻璃合金體系相變微觀機制原位研究等課題上做出了重要的研究成果，在國際權威雜志（Nature Communications, Communications Physics, Physical Review Letters, Acta Materialia, Scripta Materialia, Small, Applied Physics Letters等）發表SCI論文逾60篇。關于鈀-鎳-磷非晶合金的隱藏液態相變的研究工作于2017年初發表在國際頂尖雜志自然通訊上，被基金委首頁以要聞報道，同時被自然通訊雜志冶金專欄收藏。由于取得的一系列研究成果，獲得江蘇省333高層次人才計劃、六大人才高峰人才計劃、雙創博士計劃支持。曾獲得2017年中國材料大會非晶合金‘杰出青年科學家獎’稱號。2017年8月組織國際戈登研討會（GRS）中子散射研討會并作GRC邀請報告。