日前北京大學(xué)物理學(xué)院、量子材料科學(xué)中心徐莉梅教授課題組及其合作者關(guān)于深過(guò)冷液體中反常輸運(yùn)現(xiàn)象及原子層面微觀機(jī)理的文章，以“Stretched and compressed exponentials in the relaxation dynamics of a metallic glass-forming melt”為題，在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Communications。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-018-07759-w

液體玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)行為一直是物理、化學(xué)、生物和材料科學(xué)等諸多領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一，這不僅歸結(jié)于玻璃材料在工程應(yīng)用方面的潛在價(jià)值，還在于玻璃轉(zhuǎn)變過(guò)程涉及很窄溫度區(qū)間其動(dòng)力學(xué)多達(dá)數(shù)十量級(jí)的極速變緩這一挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)科學(xué)難題。正如2003年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Sir Anthony Leggett在一次演講中所提到的那樣：“Glass: The Cinderella Problem of Condensed-matter Physics。”玻璃形成液體具有諸多簡(jiǎn)單液體所不具備的動(dòng)力學(xué)特征，如動(dòng)力學(xué)非e指數(shù)弛豫行為這一玻璃液體的典型特征之一。

目前為止，無(wú)序非晶體系的研究還沒(méi)有很好的理論框架和范式來(lái)理解和描述玻璃形成液體和玻璃態(tài)物質(zhì)中的諸多異常行為，特別是在過(guò)冷液體淬火過(guò)程中，隨著溫度的降低，系統(tǒng)的時(shí)空關(guān)聯(lián)函數(shù)會(huì)從拉伸e指數(shù)衰減（stretched exponential decay）行為逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎se指數(shù)衰減（compressed exponentials）。玻璃態(tài)中后一種形式的衰減常常被認(rèn)為與體系內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力釋放有關(guān)，但其微觀機(jī)制確有待于進(jìn)一步考察。

在不同的波矢q所定義的空間尺度內(nèi)，具有不同局域連接度的粒子表現(xiàn)出特異的輸運(yùn)性質(zhì)。這些奇異的輸運(yùn)行為都可以跟某種特定的原子結(jié)構(gòu)直接關(guān)聯(lián)，它們本身特征的動(dòng)力學(xué)與它們周圍的介質(zhì)相互作用、相互影響，造就了其特殊的輸運(yùn)方式。（tau~1/q2: normal diffusion; tau~1/q: ballistic-like motion.）

課題組以典型金屬玻璃形成液體（Cu50Zr50）為模型體系，發(fā)現(xiàn)壓縮e指數(shù)衰減的弛豫方式在降溫過(guò)程中的玻璃形成液體中已經(jīng)存在；而且，拉伸和壓縮e指數(shù)衰減所對(duì)應(yīng)的兩種動(dòng)力學(xué)弛豫模式在玻璃轉(zhuǎn)變溫度以上可以共存，并可跟某些特定的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接關(guān)聯(lián)。這一研究表明，過(guò)冷液體中原子的動(dòng)力學(xué)異常輸運(yùn)方式與多空間尺度和具有非局域性質(zhì)的結(jié)構(gòu)序參量直接相關(guān)，從而建立了結(jié)構(gòu)與復(fù)雜液體的動(dòng)力學(xué)行為的關(guān)聯(lián)，為研究金屬玻璃所展現(xiàn)出的優(yōu)良力學(xué)性質(zhì)提供了新的思路和認(rèn)識(shí)角度。

徐莉梅課題組博士后武振偉（現(xiàn)就職于北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院）為論文第一作者。徐莉梅、法國(guó)Montpellier大學(xué)Walter Kob教授和武振偉為論文共同通訊作者。該論文的合作者還包括中國(guó)科學(xué)院物理所汪衛(wèi)華院士。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部以及中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目的聯(lián)合資助。

來(lái)源：北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心

來(lái)源：材料科學(xué)與工程