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

液體玻璃化轉(zhuǎn)變過程中的動力學(xué)行為一直是物理、化學(xué)、生物、和材料科學(xué)等諸多領(lǐng)域的熱點研究問題之一，這不僅歸結(jié)于玻璃材料在工程應(yīng)用方面的潛在價值，還在于玻璃轉(zhuǎn)變過程涉及很窄溫度區(qū)間其動力學(xué)多達數(shù)十量級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單液體所不具備的動力學(xué)特征，如動力學(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，無序非晶體系的研究還沒有很好的理論框架和范式來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，特別是在過冷液體淬火過程中，隨著溫度的降低系統(tǒng)的時空關(guān)聯(lián)函數(shù)會從拉伸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為與體系內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力釋放有關(guān)，但其微觀機制確有待于進一步的考察。

如圖所示，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)出特異的輸運性質(zhì)。這些奇異的輸運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方式。（tau~1/q2: normal diffusion; tau~1/q: ballistic-like motion.）

北京大學(xué)物理學(xué)院徐莉梅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)衰減所對應(yīng)的兩種動力學(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)進行直接關(guān)聯(lián)。

這一研究表明過冷液體中原子的動力學(xué)異常輸運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識角度。

北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心徐莉梅課題組博士后武振偉為論文第一作者。徐莉梅教授、法國Montpellier大學(xué)Walter Kob教授和武振偉為論文共同通訊作者。該論文的合作者中還包括中科院物理所汪衛(wèi)華院士。

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