【中玻網(wǎng)】

玻色峰是非晶物質(zhì)的典型特征和動(dòng)力學(xué)行為，涉及其組成粒子振動(dòng)行為的反常性，即在THz頻率范圍，非晶物質(zhì)表現(xiàn)出相對(duì)于晶體而言過(guò)高的振動(dòng)態(tài)密度，其額外的聲子散射在低溫下（5~30 K）對(duì)比熱的貢獻(xiàn)尤為突出，導(dǎo)致相對(duì)于晶體而言過(guò)高的比熱。晶體材料比熱在低溫下（< 20K）與溫度的三次方成正比，德拜T3定律較好地解釋了材料低溫比熱與溫度的三次方關(guān)系。因此德拜模型被認(rèn)為是量子理論在20世紀(jì)初所取得的重要進(jìn)展之一，然而后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，非晶態(tài)物質(zhì)（也即結(jié)構(gòu)玻璃）的低溫比熱違背了德拜定律，非晶物質(zhì)會(huì)在低溫下（5～30K）表現(xiàn)出相對(duì)于晶體物質(zhì)過(guò)剩的比熱異常，該反?，F(xiàn)象被稱為比熱玻色峰。玻色峰已經(jīng)在結(jié)構(gòu)玻璃中被普遍發(fā)現(xiàn)，并被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)玻璃的典型特征和指紋，但結(jié)構(gòu)玻璃中玻色峰的起源仍存在爭(zhēng)論。目前，多種理論均可在一定程度上解釋玻色峰現(xiàn)象，但是玻色峰的起源仍是未解之謎，因此尋找新的視角重新審視現(xiàn)有理論，并從中鑒別出玻色峰真 正的物理起源十分必要。

　　廣義的玻璃態(tài)對(duì)應(yīng)著某種物理量的長(zhǎng)程無(wú)序分布。當(dāng)原子排列呈長(zhǎng)程無(wú)序狀態(tài)時(shí)，就得到了結(jié)構(gòu)玻璃（也即非晶態(tài)物質(zhì)），例如氧化物玻璃、金屬玻璃等。而當(dāng)長(zhǎng)程無(wú)序分布的是某種序參量（如磁矩、電極化或晶格應(yīng)變）時(shí)，則能得到相應(yīng)的物性玻璃，即：自旋玻璃（序參量為磁矩）、弛豫鐵電體（序參量為電極化）或應(yīng)變玻璃（序參量為晶格應(yīng)變）。關(guān)于物性玻璃中是否存在低溫比熱異常以及是否存在玻色峰的研究有望為玻色峰的起源和機(jī)制提供新視角。

　　近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后任帥（現(xiàn)為深圳大學(xué)副研究員），中科院院士、物理所研究員汪衛(wèi)華等，與西安交通大學(xué)教授丁向東、副教授宗洪祥等合作，首 次發(fā)現(xiàn)應(yīng)變玻璃的低溫比熱具有與金屬玻璃類似的玻色峰異常，并發(fā)現(xiàn)該異常起源于新的聲子軟化機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變玻璃與金屬玻璃類似，相較于其長(zhǎng)程有序態(tài)（即馬氏體相）的低溫比熱呈現(xiàn)出過(guò)剩的比熱異常（圖1）。模擬研究也證明，該比熱異常起源于包圍著馬氏體納米疇的母相基體中的過(guò)剩振動(dòng)態(tài)（圖2a，c，d），而這些過(guò)剩振動(dòng)態(tài)來(lái)自于聲子譜上[001]方向的橫波聲學(xué)支的軟化（圖2b）。進(jìn)一步的模擬研究排除了聲子阻尼對(duì)玻色峰的影響（圖3），并發(fā)現(xiàn)聲子軟化機(jī)制符合近期基于格林函數(shù)的針對(duì)玻色峰的普適理論的預(yù)測(cè)（圖4）。該工作有助于加深對(duì)應(yīng)變玻璃的玻璃本質(zhì)的理解，并為深入理解非晶材料中玻色峰的物理起源提供了新視角。

　　相關(guān)研究成果以Boson-peak-like anomaly caused by transverse phonon softening in strain glass為題，發(fā)表在Nature Communications上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基 金，中國(guó)博士后科學(xué)基 金，廣東省自然科學(xué)基 金，中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃等的資助。

　　論文鏈接

圖1. Ti_50-xNi_50+x應(yīng)變玻璃(STG)具有與金屬玻璃(BMG)類似的低溫比熱異常。

圖2.應(yīng)變玻璃中類玻色峰異常的結(jié)構(gòu)起源。a，c，d表明過(guò)剩振動(dòng)態(tài)來(lái)源于包圍馬氏體納米疇的母相基體。b表明過(guò)剩振動(dòng)態(tài)對(duì)應(yīng)于[001]方向橫波聲學(xué)支的軟化

　　圖3.鑒別聲子阻尼與玻色峰的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)變玻璃在[110]方向上出現(xiàn)強(qiáng)聲子阻尼，但該方向與類玻色峰異常無(wú)關(guān)。而[001]方向上聲子阻尼非常微弱，因此對(duì)應(yīng)于該方向上的類玻色峰異常受聲子阻尼的影響可以忽略不計(jì)

　　圖4.模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著聲子軟化逐漸減弱，相應(yīng)的玻色峰逐漸向高頻移動(dòng)并逐漸減弱。這一結(jié)果與近期提出的一項(xiàng)基于格林函數(shù)的針對(duì)玻色峰的普適理論的預(yù)測(cè)相符。