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中國科大在玻璃態(tài)固體負載不穩(wěn)定性研究取得進展

2017-12-05 來源:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

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中玻網(wǎng)】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院教授徐寧、美國賓夕法尼亞大學(xué)教授Andrea J.Liu與美國芝加哥大學(xué)教授Sidney R.Nagel合作,在非晶固體特別是Jammed固體和玻璃態(tài)的振動特性研究中取得一系列研究成果。較近,在非晶固體負載不穩(wěn)定性的研究中也取得進展,11月20日相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。

  玻璃是典型的非晶固體,通常處于復(fù)雜能量圖景(Energy Landscape)中的一些亞穩(wěn)態(tài)上。玻璃隨著時間的推移會緩慢老化,說明它在低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的狀態(tài)下仍會在能量圖景中游走。然而,玻璃是如何在復(fù)雜能量圖景中游走,一直是理論和計算模擬的挑戰(zhàn)。這主要源于玻璃的非平衡特性,能量圖景中存在數(shù)目較大的亞穩(wěn)態(tài),在計算模擬中窮舉出足夠多的亞穩(wěn)態(tài)存在較大的困難。

  研究人員繞開窮舉的困難,通過聚焦和初始不穩(wěn)定相關(guān)聯(lián)的低能量勢壘,從獨特的視角出發(fā)探討能量圖景的特性以及玻璃在能量圖景中游走的行為。他們以較簡單的非晶體系Marginally Jammed(邊際堵塞或輕度堵塞)固體作為研究對象,希望以較簡單的模式探討本質(zhì)問題。Jammed固體廣義上是具有純排斥相互作用、依靠擠壓固化的玻璃。這類非晶固體具有Marginal Stability(邊際穩(wěn)定性),在壓縮或剪切作用下會呈現(xiàn)不穩(wěn)定、發(fā)生類似雪崩的塑性形變。在沒有熱運動的情況下,這種不穩(wěn)定的發(fā)生對應(yīng)于勢壘的消失,因此,該初始不穩(wěn)定與Jammed固體中存在的特別低的能量勢壘密切相關(guān)。

  研究團隊在Catastrophe Theory(災(zāi)難理論)所描述的Fold Instability(折疊不穩(wěn)定)的理論框架下,理論預(yù)言了與初始不穩(wěn)定相關(guān)聯(lián)的能量勢壘隨體系形變的演化行為,與模擬的結(jié)果高度吻合,突出了勢壘的非簡諧性在初始不穩(wěn)定的產(chǎn)生以及玻璃在能量圖景中游走的關(guān)鍵性。以往已有許多玻璃在外力驅(qū)動下雪崩行為的研究,但對勢壘非簡諧性的統(tǒng)計表征鮮有報道。初始不穩(wěn)定(對應(yīng)于玻璃由一個亞穩(wěn)態(tài)游走到另一個亞穩(wěn)態(tài))的統(tǒng)計研究能夠提供許多重要信息,特別是反映出Jammed固體具有普適的非簡諧特性,研究表明Jammed固體的低能勢壘呈現(xiàn)出冪律分布,并預(yù)言由初始不穩(wěn)定導(dǎo)致的Jammed固體低頻本征振動模態(tài)密度與頻率的三次方成正比,該預(yù)言或能給出玻璃在低溫情況下反常熱容的經(jīng)典物理解釋。

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  二維Jammed固體在經(jīng)歷壓縮(左)和剪切(右)不穩(wěn)定過程中的位形和粒子位移場(箭頭)。

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