聲子是晶格集體振動(dòng)的元激發(fā)。上世紀(jì)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(dòng)的動(dòng)力學(xué)理論，成功地解釋了很多相關(guān)的物理性質(zhì)與物理現(xiàn)象，如固體的比熱、電阻、BCS超導(dǎo)機(jī)制等。另一方面，自然界中還存在大量原子長程排列無序的非晶態(tài)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(dòng)力學(xué)屬性認(rèn)知非常有限。非晶態(tài)的原子振動(dòng)模式是怎樣的？是否存在高頻聲子？是否存在橫聲學(xué)支聲子？到目前為止，這些基本科學(xué)問題仍懸而未決，這主要是由于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)不能提供清晰的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，缺乏有效的實(shí)驗(yàn)觀測。因此，對非晶材料中原子振動(dòng)的研究不僅有助于非晶體系中原子振動(dòng)動(dòng)力學(xué)理論模型的構(gòu)建，亦將有助于加深對玻璃態(tài)本質(zhì)的認(rèn)識，而后者被Science雜志列為本世紀(jì)125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題之一。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心博士生李西陽（現(xiàn)加拿大UBC博士后），在物理所北京散裂中子源靶站譜儀工程中心王芳衛(wèi)研究員與香港城市大學(xué)物理系王循理教授共同指導(dǎo)下，聯(lián)合中國人民大學(xué)物理系李茂枝教授、博士生張華平，南京理工大學(xué)蘭司教授等合作者，使用飛行時(shí)間非彈性中子散射技術(shù)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬對ZrCuAl46 46 8金屬玻璃中的原子振動(dòng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn)，該無序材料中亦存在類周期性晶體材料中聲子動(dòng)力學(xué)屬性的原子振動(dòng)模式，既橫縱聲學(xué)模，但無光學(xué)振動(dòng)模。進(jìn)一步地，實(shí)驗(yàn)上首次把橫聲學(xué)支聲子從具有色散的高頻橫縱混合聲子態(tài)密度中分離出來(圖一)，證實(shí)了非晶中高頻橫聲學(xué)支聲子的存在。分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，非晶材料中橫聲學(xué)支聲子半峰寬與靜態(tài)結(jié)構(gòu)因子之間存在普適的正相關(guān)關(guān)系(圖二)，表明橫聲學(xué)支聲子在理解非晶材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系中扮演至關(guān)重要的作用。以上研究結(jié)果為非晶態(tài)中動(dòng)力學(xué)理論模型的建立提供了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，對深入認(rèn)識玻璃的本質(zhì)具有重要意義。相關(guān)結(jié)果以題名為“Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses”發(fā)表在Physical Review Letters雜志上。
此工作實(shí)驗(yàn)上使用了當(dāng)今世界最先進(jìn)的美國散裂中子源和日本散裂中子源及美國光源的實(shí)驗(yàn)譜儀，由中美日三國科學(xué)家合作完成，首次在非晶體系中測得了高頻橫聲學(xué)支聲子振動(dòng)模。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(xué)基金（51571170, 51871120, 51631003, 11675255）、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0401503, 2016YFA0401501）、973計(jì)劃（2015CB856800）等的資助。
相關(guān)工作鏈接：Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses.
圖1:中子散射結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬對Zr46Cu46Al8金屬玻璃中類聲子屬性的研究。此研究結(jié)果首次在非晶體系中測得高頻橫聲學(xué)支聲子振動(dòng)模。(a)(c)分別為非彈性中子散射實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的類聲子態(tài)密度分布；(b)(d)分別對應(yīng)(a)(c)中數(shù)據(jù)的二次微分結(jié)果。
圖2: 橫聲學(xué)支聲子半峰寬和靜態(tài)結(jié)構(gòu)因子之間的正相關(guān)關(guān)系，縱聲學(xué)支聲子不存在此對應(yīng)關(guān)系。LJ勢證明此對應(yīng)關(guān)系具有普適性。
編輯：小林綠子
聲子是晶格集體振動(dòng)的元激發(fā)。上世紀(jì)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(dòng)的動(dòng)力學(xué)理論，成功地解釋了很多相關(guān)的物理性質(zhì)與物理現(xiàn)象，如固體的比熱、電阻、BCS超導(dǎo)機(jī)制等。另一方面，自然界中還存在大量原子長程排列無序的非晶態(tài)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(dòng)力學(xué)屬性認(rèn)知非常有限。非晶態(tài)的原子振動(dòng)模式是怎樣的？是否存在高頻聲子？是否存在橫聲學(xué)支聲子？到目前為止，這些基本科學(xué)問題仍懸而未決，這主要是由于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)不能提供清晰的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，缺乏有效的實(shí)驗(yàn)觀測。因此，對非晶材料中原子振動(dòng)的研究不僅有助于非晶體系中原子振動(dòng)動(dòng)力學(xué)理論模型的構(gòu)建，亦將有助于加深對玻璃態(tài)本質(zhì)的認(rèn)識，而后者被Science雜志列為本世紀(jì)125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題之一。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心博士生李西陽（現(xiàn)加拿大UBC博士后），在物理所北京散裂中子源靶站譜儀工程中心王芳衛(wèi)研究員與香港城市大學(xué)物理系王循理教授共同指導(dǎo)下，聯(lián)合中國人民大學(xué)物理系李茂枝教授、博士生張華平，南京理工大學(xué)蘭司教授等合作者，使用飛行時(shí)間非彈性中子散射技術(shù)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬對Zr46Cu46Al8金屬玻璃中的原子振動(dòng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn)，該無序材料中亦存在類周期性晶體材料中聲子動(dòng)力學(xué)屬性的原子振動(dòng)模式，既橫縱聲學(xué)模，但無光學(xué)振動(dòng)模。進(jìn)一步地，實(shí)驗(yàn)上首次把橫聲學(xué)支聲子從具有色散的高頻橫縱混合聲子態(tài)密度中分離出來(圖一)，證實(shí)了非晶中高頻橫聲學(xué)支聲子的存在。分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，非晶材料中橫聲學(xué)支聲子半峰寬與靜態(tài)結(jié)構(gòu)因子之間存在普適的正相關(guān)關(guān)系(圖二)，表明橫聲學(xué)支聲子在理解非晶材料的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系中扮演至關(guān)重要的作用。以上研究結(jié)果為非晶態(tài)中動(dòng)力學(xué)理論模型的建立提供了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，對深入認(rèn)識玻璃的本質(zhì)具有重要意義。相關(guān)結(jié)果以題名為“Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses”發(fā)表在Physical Review Letters雜志上。
此工作實(shí)驗(yàn)上使用了當(dāng)今世界最先進(jìn)的美國散裂中子源和日本散裂中子源及美國光源的實(shí)驗(yàn)譜儀，由中美日三國科學(xué)家合作完成，首次在非晶體系中測得了高頻橫聲學(xué)支聲子振動(dòng)模。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(xué)基金（51571170, 51871120, 51631003, 11675255）、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0401503, 2016YFA0401501）、973計(jì)劃（2015CB856800）等的資助。
相關(guān)工作鏈接：Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses.
圖1:中子散射結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬對Zr46Cu46Al8金屬玻璃中類聲子屬性的研究。此研究結(jié)果首次在非晶體系中測得高頻橫聲學(xué)支聲子振動(dòng)模。(a)(c)分別為非彈性中子散射實(shí)驗(yàn)和分子動(dòng)力學(xué)模擬得到的類聲子態(tài)密度分布；(b)(d)分別對應(yīng)(a)(c)中數(shù)據(jù)的二次微分結(jié)果。
圖2: 橫聲學(xué)支聲子半峰寬和靜態(tài)結(jié)構(gòu)因子之間的正相關(guān)關(guān)系，縱聲學(xué)支聲子不存在此對應(yīng)關(guān)系。LJ勢證明此對應(yīng)關(guān)系具有普適性。
編輯：小林綠子
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