武振伟博士在《物理学报》发表特邀综述文章

来源:作者:武振伟 发布时间:2020-03-23 浏览次数:731

2020年3月20日,中国物理期刊《物理学报》出版了学院武振伟老师与中科院物理所汪卫华院士共同撰写的综述文章“非晶态物质原子局域连接度与弛豫动力学”。文章简要综述:图论中Node Degree的概念在过冷液体及玻璃态物质原子结构描述上的应用,及据此在无序非平衡系统中建立的一系列具有定量意义的结构—性能关系研究。本篇综述同时被主编和编辑部推荐入选当期优秀论文。

背景介绍

非晶态物质是一类没有长程结构序的物态,经典的凝聚态物理的范式和理论基本不能用于理解和描述这类广泛存在的物质。非晶态物质及其过冷液态中粒子的强关联作用导致极端和奇异的宏观物理性质,如玻璃转变、阻塞、流变局域化、复杂的动力学行为、振动态密度的奇异性、接近理论极限的强度等。如何描述和理解这些行为对传统凝聚态理论提出了挑战。2005年,《科学》杂志在创刊125周年之际提出了125个科学前沿问题,其中玻璃化转变和玻璃的本质被认为是最具挑战性的基础物理问题之一。因此,非晶态物理一直是凝聚态及统计物理研究的前沿课题。与非晶态相关的研究已产生3次诺贝尔物理奖,1次诺贝尔化学奖。近年来开发出的非晶合金材料在强度、硬度、韧性、超塑性成型、软磁、耐磨、耐腐蚀、抗辐照等方面具有显著优于常规金属材料的特质,在高技术、国防、信息和能源领域等方面有重要的应用前景。非晶态合金材料揭开了非晶物理研究的全新篇章,为发现新非晶材料、新效应和新物态,建立新的理论提供了契机,充满着惊奇、机遇和挑战。


 

图1 无序非晶结构(a)与有序晶体结构(b)的结构因子S(q)示意图

文章导读

理解非晶态物质的本质及玻璃转变过程势必要对过冷液体这一典型无序非平衡系统的原子结构及其结构-动力学关系有深刻了解。在描述和表征液体或玻璃的原子结构时,目前科学研究中所使用的序参量大多基于局域原子团簇(最近邻原子)的几何特征给出。由于对种类繁多的局域原子结构的拓扑不变性认识不清,人们在刻画非晶态物质的结构-动力学关系时,往往只能给出定性层面的研究结果,难以建立具有良好一一对应性的定量性质的构效关系,从而无法对新材料的研发提供十分有力的理论支撑。这也是至今人们对玻璃转变及过冷液体动力学异质性是否存在结构起源这一问题存疑的重要原因,极大地阻碍了人们对非晶及玻璃转变本质的认识和理解。随着对非晶态物质物性研究的深入,人们逐渐意识到非晶态原子中程序对系统性质的重要影响,如何有效地表征非晶态物质的原子结构中程序,以及进一步揭示中程序与其物性的关联关系,对认识非晶态物质本质和特性有重要意义。因此,能够定义出具有更高变换不变性且易于表达的拓扑类型的结构序参量显得尤为重要,这种性质的序参量首先要包含一定原子中程结构上的信息, 其次要具有更广义的不变性来统一归纳无序系统复杂多变的原子结构,在此基础上的序参量可对液体及玻璃态的原子结构进行更加简明有效地分类, 为后续建立更具定量意义的构效关系提供基础。


 

图2 图(Graph)的示例及其矩阵表示

本文简要综述了基于图论提出的原子连接度这一新的结构序参量在液体或玻璃的结构及构效关系研究中的应用。新的结构序参量从过去侧重于关注局域原子团簇的种类和分布,转移到更加关注某一类具有特殊对称性的原子的空间连接情况,即更多地尝试从原子中程序的角度来建立非晶态物质中的构效关系。新的研究结果表明,局域连接度可与非晶态物质中原子的短时或长时动力学行为、输运方式、以及振动模态等一系列物理性质建立联系。本文所综述的研究内容在一定程度上丰富了人们对液体及玻璃态物质原子结构描述方式和无序系统中某些特殊原子反常动力学行为的认识。

 

图3 原子连接度与其弛豫快慢(a)、输运性质(b)、对称性与形成能(c)、及本征模态(d)之间的关联

该项工作得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助。

文章链接:http://wulixb.iphy.ac.cn/article/doi/10.7498/aps.69.20191870