【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學童華教授、徐寧教授及其合作者在非晶物態理論研究中取得突破。研究實現了兼具非晶結構與晶體般完美結構效率和穩定性的全新有序物態——理想非晶體，并發展類似路徑積分的關聯表征方法，揭示了其非常規的長程空間關聯，相關研究成果以“Ideal non-crystals as a distinct form of ordered states without symmetry breaking”為題2月13日在線發表在《自然·材料》(Nature Materials)雜志上。
在凝聚態物理領域，“有序”與“無序”是貫穿始終的核心命題。在傳統認知中，有序往往意味著對稱破缺。最典型的例子就是晶體，其原子的周期性排布打破了空間平移和旋轉對稱性；對立面則是排列混亂、隨機的玻璃態物質。即便是在1982年發現的準晶，雖在一時間引起諸多爭議并最終導致晶體學的改寫，也未曾脫離對稱性破缺的范式。沿著從晶體到準晶的探索方向，是否存在一種不打破平移或旋轉對稱性、卻高度有序的全新物態？沿著相反的方向探索玻璃和玻璃化轉變過程中可能隱藏的結構序，同樣會觸達這一基本問題。
雖然大量的實驗事實告訴我們，“有序”意味著原子像地板上的瓷磚一樣排列——即通過打破平移和旋轉對稱性形成的重復圖案，熱力學基本原理卻隱含著其他可能——一種完全拋棄重復性，又受到完美堆積序保護的特殊有序狀態。理想非晶體正是這一隱藏可能性的體現，其通過最優空間位阻堆積(optimal steric packing)實現有序——這是一種每個粒子都以可能的最高效率排列以減少“浪費”空間的最優狀態。
研究團隊首先定義了一個不依賴于特定對稱性的位阻有序參數Θ，并在前期工作中證明了其熱力學意義。以此為指引，研究團隊在二維多分散粒子體系中結合熱力學演化和優化算法方法，成功制備出滿足吉布斯純相定義的理想非晶體。由于缺少已知的對稱性破缺，傳統方法無法揭示理想非晶態的有序性。針對該問題，團隊突破對稱性框架創新性提出相干路徑(coherent path)的概念，由此定義了類似路徑積分的關聯函數Cp=e6iαk1-αk2=Πl=jke6i δαl1-δαl2，成功量化了這種特殊的長程取向關聯，證明理想非晶體為真正意義上的有序態。這也為表征非晶體系的結構序提供了新方法。在此視角下，晶體序恰好是這種更一般的結構序的一個特例。
研究對理想非晶體的物性進行了基本表征。結果表明，其盡管看起來像隨機排列的液體，但物理性能如同晶體，具有一系列此前被認為非晶結構不可能具備的“類晶體”特性。熱力學穩定性：理想非晶體的熔化過程呈現勢能突變的類一級相變特征，表現出“超穩定性”；聲子振動譜：理想非晶體的低頻振動幾乎是完美的德拜型聲子模式，無非晶體系典型的低頻準局域模式和玻色峰；機械強度：其彈性響應是完全仿射的，使其機械行為像傳統金屬一樣可預測；高度均勻性：它們表現出超均勻性(hyperuniformity)，這是一種能抑制大尺度密度波動的特殊狀態，保證其極為出色的材料一致性。
這項工作兼具有重要的學術價值與應用前景。在基礎研究層面，理想非晶體拓展了物質有序態的范疇，通過彌合混沌與幾何之間的鴻溝，這種新物態證明了有序并不總是需要對稱破缺——有時，它只需要追求效率的完美；在應用層面，其為設計既像玻璃一樣各向同性、但在物理性質上趨于完美的新型非晶材料提供了全新思路。
論文第一作者為中國科大物理系博士后范新宇，通訊作者為中國科大物理系童華教授、徐寧教授，以及日本東京大學Hajime Tanaka教授，合作者包括中國科大物理系博士后胥鼎、張建華，安徽大學胡皓教授與復旦大學譚鵬教授。該研究受到了中國國家自然科學基金的資助。
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