谭鹏课题组及其合作者在玻璃结构弛豫研究中取得重要进展

近日，复旦大学物理学系谭鹏课题组及其合作者在玻璃结构弛豫研究中取得重要进展。4月20日，相关研究成果以《二维玻璃系统中慢弛豫的可视化》（Visualizing slow internal relaxations in a two-dimensional glassy system）为题在线发表于期刊《自然·物理》。

玻璃的本质以及玻璃化转变被认为是凝聚态物理最深刻和困难的问题之一。过冷液体既可以发生“结晶相变”，从无序液体演化成有序晶体；又可以发生“玻璃相变”形成非晶固体即玻璃态。虽然流动和大尺度的结构弛豫被“冻结”，表现出类似固体的性质，但在玻璃或非晶固体中仍然存在微小尺度的结构弛豫，对应于系统在不同的固有状态（Inherent State）间的跳跃。玻璃态系统具有非常多的固有状态（Inherent State），并且，玻璃态系统中结构弛豫的动力学呈现出奇特的“层级性”，从快到慢分成快Beta弛豫、慢Beta弛豫和Alpha弛豫，在时间尺度上可以横跨1012数量级。其中，Alpha弛豫在可测时间内的停止（弛豫时间发散）是发生玻璃化转变的主要特征。让学界一直困惑的是几乎所有的玻璃态系统中都可以观测到慢Beta弛豫，既可以出现在玻璃转变点之前（深过冷液体），又可以发生于玻璃转变点之后，而且在谱学上表现出多化的特征。从微观动力学角度剖析Beta弛豫的快慢分级，阐释慢Beta弛豫行为的普遍性、多样性及其与Alpha弛豫的关联是深入理解玻璃态系统奇特动力学“相行为”的关键核心问题。

图1. 能量图景中各层级弛豫示意图，以及二维双分散颗粒系统实验装置示意图

研究上述问题需要将不同时间、空间尺度的弛豫准确区分，但不同弛豫的时间尺度相隔多个数量级且Beta弛豫的空间尺度非常小；想要通过实验在如此巨大的时间尺度上中获取粒子微小运动的实空间信息，非常具有挑战性。为了实现玻璃系统结构弛豫过程的可视化，研究团队设计了由磁盘组成的二维(2D)双分散颗粒系统，可以在超长时间内精确测量微小的结构调整。通过引入随机粒子钉扎，以可控的方式诱导玻璃化转变；同时通过施加足够小的机械扰动，模拟低温下的热激发。该模型系统可以探测从接近玻璃态到深入玻璃态的弛豫动力学。此外通过胶体实验，我们建立了另一种相互作用形式的模型系统。

通过使用两类模型系统作为极限，（Type I系统，长程-软相互作用模型和Type II系统，硬球作用模型），研究团队揭示了玻璃态系统弛豫动力学“分层级”的普遍性，又解释了同一层级的弛豫行为在微观表现形式上的多样性：I类和II类系统具有同样的弛豫动力学分级特性、同样的Alpha弛豫微观形式和不同极限形式的慢Beta弛豫。


表1.不同非晶固体以及晶体中，结构弛豫模式的比较

此研究工作对玻璃态系统不同层级和时间尺度的弛豫行为进行剖析，量化了各类结构弛豫，并与宏观力学特性（硬度）对应，深化了学界对玻璃态系统复杂动力学行为的认识，同时希望为制备具有长时间稳定性和理想机械性质的新材料提供思路。

复旦大学物理学系、应用表面物理国家重点实验室和微纳电子器件与量子计算机研究院为论文第一单位。谭鹏课题组的研究生和本科生为论文的第一、第二、第三作者。本项工作得到了复旦大学物理学系、应用表面物理国家重点实验室、上海市教委以及国家自然科学基金委项目的大力支持与资助