中國(guó)科大非晶固體負(fù)載不穩(wěn)定性研究取得進(jìn)展

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院教授徐寧、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)教授Andrea J. Liu與美國(guó)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(dòng)特性研究中取得一系列研究成果。最近，在非晶固體負(fù)載不穩(wěn)定性的研究中也取得進(jìn)展，11月20日相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（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(shí)間的推移會(huì)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(huì)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(jì)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)目極大的亞穩(wěn)態(tài)，在計(jì)算模擬中窮舉出足夠多的亞穩(wěn)態(tài)存在極大的困難。

　　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(shì)壘，從獨(dú)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。他們以最簡(jiǎn)單的非晶體系Marginally Jammed（邊際堵塞或輕度堵塞）固體作為研究對(duì)象，希望以最簡(jiǎn)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(huì)呈現(xiàn)不穩(wěn)定、發(fā)生類似雪崩的塑性形變。在沒有熱運(yùn)動(dòng)的情況下，這種不穩(wěn)定的發(fā)生對(duì)應(yīng)于勢(shì)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(shì)壘密切相關(guān)。

　　研究團(tuán)隊(duì)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(shì)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(shì)壘的非簡(jiǎn)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(dòng)下雪崩行為的研究，但對(duì)勢(shì)壘非簡(jiǎn)諧性的統(tǒng)計(jì)表征鮮有報(bào)道。初始不穩(wěn)定（對(duì)應(yīng)于玻璃由一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)游走到另一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)）的統(tǒng)計(jì)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(jiǎn)諧特性，研究表明Jammed固體的低能勢(shì)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(dòng)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。

　　研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科大創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)培育基金的支持。

　　論文鏈接 

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(chǎng)（箭頭）。