玻璃中玻色峰机制研究取得进展

　　玻色峰是非晶物质的典型特征和动力学行为，涉及其组成粒子振动行为的反常性，即在THz频率范围，非晶物质表现出相对于晶体而言过高的振动态密度，其额外的声子散射在低温下（5~30 K）对比热的贡献尤为突出，导致相对于晶体而言过高的比热。晶体材料比热在低温下（< 20K）与温度的三次方成正比，德拜T3定律较好地解释了材料低温比热与温度的三次方关系。因此德拜模型被认为是量子理论在20世纪初所取得的重要进展之一，然而后续研究发现，非晶态物质（也即结构玻璃）的低温比热违背了德拜定律，非晶物质会在低温下（5～30K）表现出相对于晶体物质过剩的比热异常，该反常现象被称为比热玻色峰。玻色峰已经在结构玻璃中被普遍发现，并被认为是结构玻璃的典型特征和指纹，但结构玻璃中玻色峰的起源仍存在争论。目前，多种理论均可在一定程度上解释玻色峰现象，但是玻色峰的起源仍是未解之谜，因此寻找新的视角重新审视现有理论，并从中鉴别出玻色峰真正的物理起源十分必要。

　　广义的玻璃态对应着某种物理量的长程无序分布。当原子排列呈长程无序状态时，就得到了结构玻璃（也即非晶态物质），例如氧化物玻璃、金属玻璃等。而当长程无序分布的是某种序参量（如磁矩、电极化或晶格应变）时，则能得到相应的物性玻璃，即：自旋玻璃（序参量为磁矩）、弛豫铁电体（序参量为电极化）或应变玻璃（序参量为晶格应变）。关于物性玻璃中是否存在低温比热异常以及是否存在玻色峰的研究有望为玻色峰的起源和机制提供新视角。

　　近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理重点实验室博士后任帅（现为深圳大学副研究员），中科院院士、物理所研究员汪卫华等，与西安交通大学教授丁向东、副教授宗洪祥等合作，首次发现应变玻璃的低温比热具有与金属玻璃类似的玻色峰异常，并发现该异常起源于新的声子软化机制。研究发现，应变玻璃与金属玻璃类似，相较于其长程有序态（即马氏体相）的低温比热呈现出过剩的比热异常（图1）。模拟研究也证明，该比热异常起源于包围着马氏体纳米畴的母相基体中的过剩振动态（图2a，c，d），而这些过剩振动态来自于声子谱上[001]方向的横波声学支的软化（图2b）。进一步的模拟研究排除了声子阻尼对玻色峰的影响（图3），并发现声子软化机制符合近期基于格林函数的针对玻色峰的普适理论的预测（图4）。该工作有助于加深对应变玻璃的玻璃本质的理解，并为深入理解非晶材料中玻色峰的物理起源提供了新视角。

　　相关研究成果以Boson-peak-like anomaly caused by transverse phonon softening in strain glass为题，发表在Nature Communications上。研究工作得到国家自然科学基金，中国博士后科学基金，广东省自然科学基金，中科院战略性先导科技专项和高等学校学科创新引智计划等的资助。

图1. Ti50-xNi50+x应变玻璃(STG)具有与金属玻璃(BMG)类似的低温比热异常。

图2.应变玻璃中类玻色峰异常的结构起源。a，c，d表明过剩振动态来源于包围马氏体纳米畴的母相基体。b表明过剩振动态对应于[001]方向横波声学支的软化

图3.鉴别声子阻尼与玻色峰的关系。研究发现应变玻璃在[110]方向上出现强声子阻尼，但该方向与类玻色峰异常无关。而[001]方向上声子阻尼非常微弱，因此对应于该方向上的类玻色峰异常受声子阻尼的影响可以忽略不计

图4.模拟结果发现随着声子软化逐渐减弱，相应的玻色峰逐渐向高频移动并逐渐减弱。这一结果与近期提出的一项基于格林函数的针对玻色峰的普适理论的预测相符。