中国科大在二维固体熔化研究中取得新进展

　　近日，中国科学技术大学教授徐宁课题组在二维固体熔化研究中取得新进展，他们发现密度是影响二维软芯胶体体系六角相-液体相变本质的重要因素，该研究成果在线发表于8月15日的《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 117, 085702(2016)]。论文第一作者是课题组的博士研究生祖梦婕。

　　在二维体系中，横向涨落随着系统增大而对数增长，从而导致二维晶体结构的破坏，因此，二维体系在热力学极限下不存在严格意义上的晶体，二维固体的熔化也会相应地呈现出与三维固体的差异。上世纪70年代，Kosterliz、Thouless、Halperin、Nelson和Young发展了KTHNY理论来描述二维固体的熔化。根据该理论，二维固体在熔化过程中会出现一个中间态：六角相（hexatic phase），二维固体熔化是个两步过程，固体到六角相和六角相到液体的相变都是连续相变，分别对应着位错对和旋错对的分解。随后的大量实验和模拟工作都证实了六角相的存在和二维固体的两步熔化。但是，近期的一些研究表明，六角相到液体的相变并不完全像KTHNY理论预言的那样是连续相变。例如，刚性粒子呈现的是一级相变，随着粒子变软，会出现由一级相变到连续相变的转变。二维固体的熔化由于其复杂性，一直是软凝聚态物理领域研究的一项热门内容。

　　徐宁课题组长期关注软芯胶体体系的相变与自组装。软芯胶体颗粒形成的固体具有一个最大的熔化温度，从而导致可重入熔化（reentrant melting），即在温度恒定（低于最大熔化温度）增大密度的过程中，液体会凝结成固体并且在更高的密度处再次熔化成液体。该课题组发现，二维软芯胶体固体的熔化由于存在可重入熔化特性而表现出非常有趣的行为。最大熔化温度所对应的临界密度是一个分水岭，低于临界密度时，六角相-液体相变呈现出一级相变特性，六角相和液相会共存，该共存区随着靠近临界密度而缩小，并在临界密度处消失；高于临界密度时，六角相-液体相变始终是连续的。因此，最大熔化温度是六角相-液体相变由不连续到连续的转变点。非连续六角相-液体相变的起因目前还没有理论解释，该工作表明，密度是影响二维软芯胶体体系六角相-液体相变本质的重要因素，非连续相变的出现并不依赖于系统，而可能依赖于距离刚性粒子极限的远近。

　　该研究工作丰富了人们对二维固体熔化的认识，为进一步探讨二维固体熔化机理提供了新的素材。审稿人认为该工作“令人惊讶，是该领域的重要进展”。

　　上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部和教育部的支持。

二维软芯胶体体系熔化的温度-密度相示意图及不同状态的图示