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哈工大(深圳)叶佐东教授团队在《Physical Review Letters》发表研究成果:玻璃体系中新准粒子的突破性发现
发布时间:2020-12-14 18:16:20 2405

【哈工大(深圳)宣】(理学院/文、图)玻璃的相关物理问题一直受到人们关注。诺贝尔物理学得主P.W.Anderson直言玻璃的本质及玻璃相变是当代固态物理中最有趣,同时也是最困难的问题。权威期刊《Science》借创刊125周年公布了125个人类有待解决的重大难题,玻璃的物理本质问题入选其中,其学术价值与难度可想而知,玻璃中原子扩散的物理起源至今仍是未解难题。

在晶体中,空位缺陷(vacancy defect) 在原子扩散中起重要作用,空位缺陷可以从晶体系统中缺失的原子位置直接识别。同样空位缺陷也可能存在于玻璃中和决定了玻璃态动力学性质。尽管科学家已经寻找玻璃空位缺陷60年,他们一直找不到它。因此它的存在一直受到质疑。

哈工大(深圳)叶佐东教授与他的研究伙伴从玻璃态实验中研究玻璃粒子扩散起源,通过新研究技术和超长时间粒子移动轨迹的追踪, 最终确定了一种新型的准粒子“准空位(quasi-void)” 主导玻璃动力学。我们可以用一简单例子去理解它:假如有五张连在一起的椅子,有四个学生各坐一张椅子,这么空椅就是晶体的空位;如果他们乱坐, 每个人坐两张椅子,这么看起来像没有空椅,但实际上空椅隐藏在学生中间。当有新的学生想坐进去, 他们可以挤出一张空椅。同样地,之前准空位没有被发现是因为它隐藏在复杂玻璃结构中, 需要特殊的技术来识别。准空位是由许多粒子之间的自由空间组成, 这正是准粒子的本质。正如下图所示, 晶体中的空位可以完整地到达玻璃区域,形成一个准空位, 然后准空位像空位在玻璃中移动。

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图1: 胶体实验系统,粒子在晶体态和玻璃态边界区域的活动情况。(a)是整个观察时间为29120秒 的线状运动的轨迹图,描绘了一个空位的运动。 (b)-(f)是把(a)中观察时间分成5份后的结果。(b)中玻璃态界面先出现线状运动, 此线状运动越过边界进入晶体界面, 变成晶体中的跃迁运动, 期间玻璃界面中的准空位从1的位置移入到晶体界面中去到2的位置变成空位, 之后在(c)中空位从 2 的位置不断跃迁于不同的格座间, 最后去到 3 的位置。(d)中, 空穴从 3 经过数个格座而返回玻璃态中, 变回准空位, 经线状运动移去4。之后(e)至(f), 准空位透过线状运动转移至 5、6 的位置。(b-f)中的插图:显示线状运动粒子的轨迹以及时间子间隔的初始粒子位形。

因此,我们可以把玻璃态多体问题简化成单粒子问题去分析玻璃态特性,就好像半导体里的正电的电洞(electron holes)。更有趣的发现是这些准空位有很强记忆效应,就像一位记性好的人去了很远地方后, 识得原路返家, 这正是玻璃态特性;但是晶体空位就好似一名醉汉只会乱走。这准粒子理论并且能够解释许多玻璃物理性质[2,3]。

相关研究内容在物理学权威期刊《Physical Review Letters》上发表,论文[1]第一完成单位为哈尔滨工业大学(深圳), 论文由哈尔滨工业大学(深圳)叶佐东(Cho-Tung Yip)授团队、香港理工大学林志恒(Chi-Hang Lam)教授团队、名古屋工业大学礒部雅晴(Masaharu Isobe)教授团队和香港科技大学韩一龙(Yilong Han)教授合作完成。该研究得到了国家自然科学基金委和深圳市科创委等单位的支持。(编辑 谢梁晖)

参考文献

[1] Direct Evidence of Void-Induced Structural Relaxations in Colloidal Glass Formers: Cho-Tung Yip, Masaharu Isobe, Chor-Hoi Chan, Simiao Ren, Kin-Ping Wong, Qingxiao Huo, Chun-Shing Lee, Yuen-Hong Tsang, Yilong Han, and Chi-Hang Lam. Phys. Rev. Lett. 125, 258001 (2020) 

Link: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.258001

[2] Spatial heterogeneities in structural temperature cause Kovacs expansion gap paradox in aging of glasses. Matteo Lulli, Chun-Shing Lee, Hai-Yao Deng, Cho-Tung Yip, and Chi-Hang Lam. Physical Review Letters 124, 095501 (2020).

Link: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.095501

[3] Fragile glasses associated with a dramatic drop of entropy under supercooling, Chun-Shing Lee, Matteo Lulli, Ling-Han Zhang, Hai-Yao Deng, and Chi-Hang Lam. Physical Review Letters (2020), accepted.

Link: arXiv:1909.03240


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