首次实验观测到非晶材料的高频横波声子

从固体的微观结构去了解其不同的物理特性，对于凝聚态物理学以至材料的应用，均极为重要。然而，由于非晶材料具有排列无序的原子结构，仍有很多未解之谜。最近，一支由香港城市大学（香港城大）物理学家领导的国际研究团队，便透过最先进的中子散射谱仪及分子动力学模拟，首次证实了在金属玻璃里能测得高频横波声子。他们的研究结果更提出非晶材料的原子结构与其原子动力学属性相关，为了解排列无序材料的原子结构与动力学的关系带来了新启示。

在凝聚态物理学（探索固体材料的物理学）里，固体因应其原子排列可分为两大类︰晶态固体和非晶态固体。晶态固体的一大特色是其原子排列方式会周期性地重复，称为长程序 （long-range order），但非晶态固体（又称为玻璃）则没有。

由于非晶态固体材料没有这个长程有序的原子排列结构，科学家难以把已经适用于晶态固体的结构探查技术，应用到非晶材料上，并确定其具体的原子排列。而非晶材料的声子振动模式亦远比晶态材料复杂。事实上，顶尖学术期刊《科学》把玻璃结构的原子结构与动力学，视为125个科学难题之一。

 

声子（Phonons）是晶格里的原子以某频率振动的量子力学描述。跟波动一样，声子有两种振动模式，分别是纵向振动（longitudinal vibrations）和横向振动（transverse vibrations）。声子的概念解释了晶态固体的很多物理特性，例如热传导。然而，对于非晶材料，则仍有很多谜团。

首次展示非晶材料里存在高频横波声子

领导这次研究的香港城大物理学系系主任兼讲座教授王循理教授说︰“我们知道纵波声子无处不在，存在于固体、液体、玻璃结构，以至气体，也因此我们能听到声音。横波声子则由于涉及材料的剪应力，我们知道它存在于晶态固体，而气体里则没有，因为我们不能剪开气体。但是横波声子是否存在于非晶态材料和液体，我们则不肯定。”这次研究，便是希望找出非晶材料里的横波声子的本质。

研究团队凭借于美国橡树岭国家实验室散裂中子源的最先进的实验谱仪，使用了飞行时间非弹性中子散射技术，以测量一种含有锆、铜和铝的金属玻璃。

团队首次展示了在非晶材料里，存在高频横波声子。此发现推翻了横波声子只存在于低频区域的观点。

为了核实他们的观测所得，团队进行了一系列精密的分子动力学模拟。基于模拟结果，他们发现金属玻璃里的横波声子的动力学，与金属玻璃的无序结构相关；就如图4(a)的上图所示，红点线与黑线同步，显示横波声子的半峰宽会跟随静态结构因子（static structure factor）。然而，纵波声子并没有这种关联。这个相关关系表明，横波声子对于理解非晶材料的原子结构与原子动力学的关系，具有重要作用。

 

研究团队亦对一种通用型的玻璃结构进行模拟，并获得相类似的结果，有力地显示这个相关关系并非只出现于金属玻璃体系，而是普遍存在于非晶材料里。

王教授说︰“由于原子排列无序，要以实验来研究非晶材料的物理特性一向十分困难。但有赖于中子散射仪器的不断进步，让我们有机会对非晶材料进一步探索。”

团队的研究成果近日于科学期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表，题为〈Observation of High-Frequency Transverse Phonons in Metallic Glasses〉。

王教授说︰“目前有很多关于液体和玻璃的结构和动力学的理论和模型，我们的研究结果，正好为日后进一步研究玻璃材料的原子结构与动力学关系、建构相关理论和模型时，提供一个新的指导方向。”

王教授与中国人民大学的李茂枝教授是论文的共同通讯作者。论文共同第一作者是香港城大与中国科学院物理所的联合博士生李西阳、中国人民大学的张华平及香港城大物理学系的兰司（现于南京理工大学任职）。其他合作者包括美国橡树岭国家实验室的Douglas Abernathy博士、日本质子加速器研究中心（The Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC）的Toshiya Otomo博士和美国阿贡国家实验室的任洋博士。

这项研究的经费来源包括裘槎基金会、香港研究资助局，以及国家自然科学基金委员会。

 

DOI number: 10.1103/PhysRevLett.124.225902

本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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