Physical Review Letters: 金属玻璃中高频横波声子的重要研究进展

【引言】

声子是晶格集体振动的元激发。上世纪30年代人们通过引入这一量子化概念建立的晶体材料中晶格振动的动力学理论，成功地解释了很多相关的物理性质与物理现象，如固体的比热、电阻、BCS超导机制等。另一方面，自然界中还存在大量原子排列无序的非晶态固体，其原子的无序排列造成了空间平移对称性破缺，人们对它的动力学属性认知非常有限。非晶态的原子振动模式是怎样的？是否存在高频声子？是否存在横声学支声子？到目前为止，这些基本科学问题仍悬而未决，这主要是由于现有的实验技术不能提供清晰的实验数据，缺乏有效的实验观测。因此，对非晶材料中原子振动的研究不仅有助于非晶体系中原子振动动力学理论模型的构建，亦将有助于加深对玻璃态本质的认识，而后者被Science杂志列为本世纪125个最具挑战性的科学难题之一。

【成果简介】

近日，香港城市大学物理系王循理教授（通讯作者）指导博士生李西阳（第一作者），联合中国人民大学物理系李茂枝教授（共同通讯作者）、博士生张华平（共同第一作者），南京理工大学兰司教授（共同第一作者）等合作者，使用非弹性中子散射技术结合分子动力学模拟对典型锆铜铝金属玻璃中的原子振动动力学进行了深入研究。非弹性中子散射实验在当今世界最先进的美国散裂中子源和日本散裂中子源及美国光源的实验谱仪进行，实现了在较大动量转移下的高精度测量，首次在非晶体系中测得了高频横声学支声子振动模。实验观测发现，该无序材料中亦存在类周期性晶体材料中声子动力学属性的原子振动模式，既横纵声学模，但无光学振动模。进一步地，实验上首次把横声学支声子从具有色散的高频横纵混合声子态密度中分离出来(图1、图2)，证实了非晶中高频横声学支声子的存在。分子动力学模拟发现，非晶材料中横声学支声子半峰宽与静态结构因子之间存在普适的正相关关系(图3、图4)，表明横声学支声子在理解非晶材料的结构性能关系中扮演至关重要的作用。以上研究结果为非晶态中动力学理论模型的建立提供了新的实验证据，对深入认识玻璃的本质具有重要意义。相关结果以题名为“Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses”发表在Physical Review Letters杂志上。

该研究得到了香港裘槎基金（9500034）、香港研究资助局(JLFS/P-102/18)、国家自然科学基金（51571170, 51871120, 51631003, 11675255）、科技部国家重点研发计划（2016YFA0401503, 2016YFA0401501）、973计划（2015CB856800）等的资助。

【图文导读】

图1：实验测量室温下Zr₄₆Cu₄₆Al₈金属玻璃的动态与静态结构因子。

(a)中子非弹性散射所测量的动态结构因子S(Q,E)，虚线表征无序体系中的准布里渊区，其函数关系为 E_0*, 其中Q_max = 2.74 Å^-1 对应静态结构因子第一峰位，而E₀ = 19.02 meV是振动的爱因斯坦频率；(b)中子散射与X光散射所测量的静态结构因子S(Q)，两者符合很好，结果均表明样品处于非晶态。

图2：中子散射结合分子动力学模拟对ZrCuAl金属玻璃中类声子属性。

(a)和(c)分别为非弹性中子散射实验和分子动力学模拟得到的类声子态密度分布；(b)和(d)分别对应(a)和(c)中数据的二次微分结果；(e)和(f)分别计算得到的纵向与横向声子的态密度分布，结果表明，横声学支在Q= 3.8 Å^-1附近具有最大强度。(a)(c)(e)(f)中的橄榄色和洋红色曲线是基于无序系统的色散理论所计算的纵向和横向声子的色散关系，而绿线和黄线则是通过超声共振法测量得到的纵向和横向声子在长波极限下的线性色散，这些数据在低Q区是一致的。(c)(e)(f)中的蓝色五角星标志着第二准布里渊区的边界，而高频横向声子在这里出现。

图3：分子动力学模拟所揭示的振动特性。

总的以及各类原子的振动态密度，作为对比，中子非弹性散射所测量的结果也在其中；(b)每个振动模式的参与度；(c) E=17meV处振动模式对横波与纵波投影后的态密度随波矢Q的变化，峰位表示这些振动模式具有某些特殊Q值的平面波特性；(d)E = 10, 17, 23 meV等三个不同能量处振动模式对横波投影后的态密度随Q值的变化，可以看出，E=17meV处的振动模式在Q= 3.8 Å^-1处有横向平面波特征，而其他两个没有。

图4：声子半峰宽与静态结构因子之间的关联。

(a)在金属玻璃中，横声学支声子半峰宽和静态结构因子之间的正相关关系，纵声学支声子不存在此对应关系；(b)在LJ势的模型玻璃体系中，横声学支声子半峰宽亦与结构因子静态也具有类似的一一对应关系，证明此对应关系具有普适性。

【小结】

综上，通过先进的非弹性中子散射测量，证实了在非晶体系中存在高频横声学支声子。研究表明，非晶无序结构在不同尺度上对横声学声子的散射程度不同，并且与静态结构因子之间存在对应关系。这些发现对认识非晶的结构性能关系以及玻璃的本质等提供了新的实验证据和理论思路。

文献链接：Observation of high-frequency transverse phonons in metallic glasses. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.225902

王循理教授简介：王循理教授是香港城市大学/深圳研究院讲座教授、系主任，从事中子和同步辐射散射在材料科学中的研究工作逾三十余年，曾领导建设美国橡树岭国家实验室散裂中子源八台谱仪的建设（包括著名的工程应力谱仪VULCAN），在Science、Nature Materials、Nature Communications、Physical Review Letters等发表SCI论文250多篇，应邀作特约报告100次。香港城市大学王循理教授团队利用原位中子散射、同步辐射X-射线散射等手段研究复杂材料包括非晶合金、形状记忆合金、高熵合金等先进合金材料相关的相变、力学性能及磁性相关前沿科学问题。早期工作获美国焊接协会A. F. Davis 奖章，2008年中国科学院海外知名学者称号，2009年被中国教育部授予长江讲座教授, 2010年当选为美国物理学会会士（APS Fellow），2015年发起高登中子散射会议（Gordon Research Conference on Neutron Scattering），并担任首届会议主席，2017年获美国科学促进会理事（AAAS Fellow），2020年当选美国中子散射学会会士（NSSA）。王教授曾多次受命于美国能源部基础科学办公室，为美国洛斯阿拉莫斯国家实验室先进中子源和阿贡国家实验室同步辐射中心的评审委员会担任评委，2015起担任中国科学院重大科技基础设施咨询委员会委员。

李茂枝教授简介：中国人民大学物理系教授。2001年于中科院物理研究所获得理学博士学位，2001-2007年期间，在美国Ames国家实验室从事博士后和助理研究员工作。2007年10月加入中国人民大学物理系，一直从事过冷液体和非晶合金的微观结构表征、动力学、力学性质以及玻璃转变机制等前沿、关键科学问题的理论和计算模拟研究。在PRL、Nature Commun.等学术期刊发表论文70余篇。曾获得北京市科学技术一等奖，中科院杰出科技成就奖，2011年入选教育部新世纪人才支持计划。目前担任中国物理学会非晶态物理专业委员会委员。

兰司教授简介：现任南京理工大学材料学院格莱特纳米研究院副所长、教授，曾为香港城市大学物理系/深圳研究院研究员，一直从事大块金属玻璃及形成液体中液态相变相-关领域的研究工作，自博士、博士后、以及工作以来，以同步辐射和中子散射及透射电镜等先进研究手段，在一系列金属玻璃合金体系相变微观机制原位研究等课题上做出了重要的研究成果，在国际权威杂志（Nature Communications, Communications Physics, Physical Review Letters, Acta Materialia, Scripta Materialia, Small, Applied Physics Letters等）发表SCI论文逾60篇。关于钯-镍-磷非晶合金的隐藏液态相变的研究工作于2017年初发表在国际顶尖杂志自然通讯上，被基金委首页以要闻报道，同时被自然通讯杂志冶金专栏收藏。由于取得的一系列研究成果，获得江苏省333高层次人才计划、六大人才高峰人才计划、双创博士计划支持。曾获得2017年中国材料大会非晶合金‘杰出青年科学家奖’称号。2017年8月组织国际戈登研讨会（GRS）中子散射研讨会并作GRC邀请报告。