在無(wú)序中尋找秩序：非晶固體特性及其結(jié)構(gòu)起因的研究.pdf

1、諸如玻璃、沙堆等無(wú)序材料充斥著我們的日常生活，但是它們非同尋常的特性尚未被很好地理解，是困擾凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重要難題。關(guān)于晶體的研究構(gòu)成了固體物理這門(mén)成熟學(xué)科的主要內(nèi)容，同時(shí)，相關(guān)的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)并且正在改變我們的生活形態(tài)。相對(duì)地，關(guān)于非晶固體，我們距離一個(gè)完美而自洽的基礎(chǔ)理論依舊遙遠(yuǎn)。人們面對(duì)的最大的困難之一在于表征、并進(jìn)一步調(diào)控復(fù)雜的結(jié)構(gòu)無(wú)序，這阻礙了對(duì)引入無(wú)序過(guò)程中晶體和非晶如何相互轉(zhuǎn)化的細(xì)致研究。不能在可控的“無(wú)序度”下研究材料特

2、性，就不可能澄清無(wú)序體系特性背后結(jié)構(gòu)無(wú)序所扮演的角色。我們的研究集中在尋找復(fù)雜結(jié)構(gòu)背后的秩序，并由此理解非晶固體特性與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。
　　在第一章的背景介紹中，首先簡(jiǎn)要回顧了軟物質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展，介紹了軟物質(zhì)的突出特點(diǎn)以及非晶材料研究的現(xiàn)狀。接著介紹了玻璃化轉(zhuǎn)變的基本動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)特征以及一系列重要的理論模型。從Jamming相圖出發(fā)，介紹了Jamming轉(zhuǎn)變的基本物理圖像。在短程純排斥小球構(gòu)成的理想模型中，進(jìn)一步論述了Jamming轉(zhuǎn)

3、變的臨界性以及點(diǎn)J附近固體的振動(dòng)特性。最后，對(duì)有限溫度下的Jamming轉(zhuǎn)變以及它與玻璃化轉(zhuǎn)變的關(guān)系做了簡(jiǎn)要討論。
　　本征振動(dòng)模分析構(gòu)成了理解非晶固體的重要手段。在第二章中，具體介紹了振動(dòng)模的計(jì)算方法以及基本的分析和表征手段。在本章的最后，我們關(guān)注無(wú)序體系振動(dòng)性質(zhì)最重要的特征，即玻色峰的結(jié)構(gòu)起因。在無(wú)序度可控的模型中，我們的分析表明波色峰并非起源于橫波范·霍夫奇點(diǎn)，并且在不同無(wú)序度下，可能與不同的特征結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。
　　在第

4、三章中，基于振動(dòng)模的能均分原理構(gòu)建了一個(gè)全新的序參量ψ。因?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)并非幾何結(jié)構(gòu)，此序參量可統(tǒng)一表征具有幾何、力學(xué)網(wǎng)絡(luò)、質(zhì)量等多種形式無(wú)序的無(wú)序度，具有很強(qiáng)的普適性。通過(guò)分別驗(yàn)證ψ與低溫下振動(dòng)動(dòng)力學(xué)以及躍遷型運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián)，我們建立了結(jié)構(gòu)與低溫動(dòng)力學(xué)的聯(lián)系。通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的Pinning實(shí)驗(yàn)，我們得以探測(cè)粒子在原位型中扮演的角色。我們發(fā)現(xiàn)，固定ψ值最大的粒子可以消除體系中的低頻準(zhǔn)局域模，極大地提高系統(tǒng)在熱激發(fā)下的穩(wěn)定性，強(qiáng)烈壓制系統(tǒng)在擾動(dòng)下的非

5、仿射形變從而提升彈性模量。這些結(jié)果表明ψ很好地刻畫(huà)了無(wú)序固體的組織結(jié)構(gòu)。
　　在第四章中，我們報(bào)道了從晶體到無(wú)序晶體——一個(gè)隱藏的有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變，并給出了包含整個(gè)無(wú)序度空間的固體物態(tài)相圖。我們發(fā)現(xiàn)，雖然在幾何結(jié)構(gòu)上幾乎沒(méi)有變化，隨著粒子大小分散度的引入，晶體在極小的分散度下就會(huì)在力學(xué)以及振動(dòng)特性上發(fā)生根本轉(zhuǎn)變。我們稱(chēng)這類(lèi)具有高度有序的幾何結(jié)構(gòu)，但是在力學(xué)、彈性性質(zhì)上更類(lèi)似一般非晶固體的材料為無(wú)序晶體。晶體-無(wú)序晶體轉(zhuǎn)變點(diǎn)分散度ηc

6、在零壓極限下趨于零，這說(shuō)明硬球最密堆積點(diǎn)是奇點(diǎn)。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近無(wú)序晶體的細(xì)致表征，我們發(fā)現(xiàn)(1)玻色峰起始于這一隱藏的有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變;(2)不同于通常認(rèn)為的晶體物理和Jamming物理分別控制著有序和無(wú)序固體的性質(zhì)，在轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近反常的冪律標(biāo)度行為意味著全新物態(tài)的存在。我們的結(jié)果說(shuō)明當(dāng)下人們對(duì)固體的認(rèn)識(shí)是不全面的，特別是在有序-無(wú)序的邊界區(qū)域，固體可能具有不為人知的屬性。
　　在第五章，我們對(duì)本論文內(nèi)容做了總結(jié)并對(duì)未來(lái)研究做了展望