国家脉冲强磁场科学中心和华中科技大学于海滨团队无序体系理论 | Nature Physics

图1 双重逾渗模型

非晶态物质和无序体系对科学技术有着深远的影响。从文艺复兴时代的显微镜、望远镜到信息时代的光纤、显示屏幕玻璃态物质一直都能成为时代的重要材料。蛋白质折叠、人体冷冻计划以及生物的社会集体行为等领域也与非晶态物质的特性密切相关。理解玻璃的本质被认为是“21世纪最具有挑战的科学问题之一”。

与晶体不同，非晶物质的结构呈现出长程无序的特点，这使得其表现出诸多独特且复杂的现象。具体而言，非晶物质的振动模式无法简单地用平面波来描述，其流动行为并非由明确的缺陷所主导，且其动力学过程极为复杂，难以用传统的理论框架进行完整解释。

非晶物质表现出丰富的动力学过程，称为弛豫，其既具有普遍性，又与具体材料的种类、成分和制备工艺紧密相关，是连结材料“结构”与“性质”的纽带。于海滨教授团队前期在金属玻璃体系中进行了深入研究，发现无序体系弛豫与微观结构、力学性能、玻璃稳定性之间存在密切关联，在此基础上提出了动力学序参量，为理解非晶态物质提供了重要见解（ National Science Review 11, nwae091, 2024； Science Advances 10, eadk2799 , 2024; Progress in Materials Sciences 145,101311,2024）。

在非晶物质中α弛豫和β弛豫是所有非晶物质都具有的两个最重要的动力学过程，前者代表了非晶物质由液态转变为固态的过程，与玻璃转变和具体材料的形成能力相关；而后者作为非晶固体主要的原子运动过程，与其玻璃物质的力学性能、结构稳定性、相变信息材料的信息存取速率等性质相关。

尽管已有大量的研究来阐明两种弛豫内在的机理，比如模态耦合理论、能量势垒理论、剪切形变区模型和链状运动模型，但仍缺少理论模型来对两种弛豫过程进行统一的描述，并提供清晰的物理图像。

于海滨教授团队提出了一种双重逾渗模型，并通过对二维和三维玻璃模型的广泛计算机模拟，监测微观粒子的运动，建立了不同运动状态粒子的逾渗和α，β弛豫之间的关联（在该模型中，粒子的运动状态是广义的，不被具体的自由度所局限）。如图1所示，随着温度降低至液态，金属玻璃中不可移动粒子（immobile）的逾渗发生在α弛豫温度范围内，而当温度进一步降低至玻璃态时，可动粒子（mobile）的逾渗则界定了β弛豫的发生。即，两种粒子的逾渗可分别作为α弛豫和β弛豫的信号。而在二维系统中，由于不可移动粒子和可移动粒子的逾渗几乎同时发生，导致没有明显的α和β弛豫分离。