中科院力学所Phys. Rev. Lett.: 用方向序结构参量预测玻璃态物质中的玻色峰

【引言】

晶体中的原子振动可以通过格波来理解，用声子来定量描述振动能。在低频下，格波可视为连续介质弹性波，振动态密度可以通过德拜平方频率定律来近似。然而，对于长程无序的非晶体来说，其低频振动（太赫兹频率）总是偏离德拜模型预测而出现态密度过剩，形成玻色峰。这种反常现象意味着，在玻色峰频率附近，无序非晶体不可视为均匀的弹性介质，在空间上是弹性无序的。有关玻色峰的起源争议较大，一直以来都是凝聚态物理中最为有趣的问题之一。

【成果简介】

近日，中国科学院力学研究所的蒋敏强研究员、王云江研究员（共同通讯作者）在Physical Review Letters上发表最新研究成果“Structural Parameter of Orientational Order to Predict the Boson Vibrational Anomaly in Glasses”。作者借助分子动力学模拟方法，选用Cu₅₀Zr₅₀非晶态为研究体系，将玻色峰分解对应到属于不同Voronoi多面体的原子的贡献，之后引入微观结构参量，将中心原子出发指向其Voronoi配位多面体的最远顶点的矢量，定义为方向序(orientational order)。这一序参量表示低频横波振动的最概然方向，其大小和玻色峰的强度成正相关，空间分布表现了玻色峰准局域振动。这种关联在多种不同类型的非晶态物质中具有普适性。

【图文导读】

图1：不同局域结构环境的原子的振动局域态密度。

(a)Cu₅₀Zr₅₀非晶态的约化VDOS，点划线表示Debye能级；

(b)被不同Voronoi多面体包围的Cu原子的约化VDOS；

(c)被不同Voronoi多面体包围的Zr原子的约化VDOS；

(d)非晶态中不同原子类型和整体的玻色峰强度I_BP与特征频率ω_BP的比值。

图2：原子振动位移的方向与其短程序（Voronoi构型）的局域各向异性相关。

(a)某一原子的Voronoi多面体的示意图（蓝色实线），红色箭头：原子振动位移 ，绿色箭头：由每个原子中心指向其Voronoi多面体顶点的矢量 ；

(b)对于非晶体中所有原子平均得到的 不同取值， 在 方向上的投影。

图3：对非晶体中所有原子、每类原子作平均后，得到的玻色峰强度I_BP和长度参数的关联。

图4：表示单个原子（红色实心圆形）的方向序 （黑色箭头）的空间分布的示意图，圆形的大小表示玻色峰强度大小。

(a)过X-Y面的平面图；

(b)过X-Z面的平面图；

(c)过Y-Z面的平面图；

(d)图(c)中虚线方框部分的局部放大图。

图5：多种非晶态物质的玻色峰强度I_BP和长度参数之间的关系。

【小结】

本文用分子动力学模拟方法，对典型金属玻璃模型Cu₅₀Zr₅₀体系的局域态密度和玻色峰异常现象展开了研究。结果表明，所有原子都参与玻色峰频率附近的振动，但每种类型的原子对于体系玻色峰的贡献不一样，主要取决于原子振动的短程序局域环境。作者进一步识别了一系列结构矢量，定义方向序(orientational order)为每个原子中心位置指向其所处Voronoi多面体的最远顶点，作为低频横向振动的最概然方向。玻色峰的强度与方向序的模长呈线性正相关，而方向序的空间分布呈现了玻色峰的准局域振动特性，并决定了玻色峰的特征频率。最后，该工作表明提出的玻色峰方向序具有普适性。

文献链接：Structural Parameter of Orientational Order to Predict the Boson Vibrational Anomaly in Glasses（Phys. Rev. Lett.，2019，DOI：10.1103/PhysRevLett.122.015501）

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