在無序中尋找秩序：非晶固體特性及其結構起因的研究.pdf

1、諸如玻璃、沙堆等無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)物理領域的重要難題。關于晶體的研究構成了固體物理這門成熟學科的主要內容，同時，相關的技術發(fā)展已經并且正在改變我們的生活形態(tài)。相對地，關于非晶固體，我們距離一個完美而自洽的基礎理論依舊遙遠。人們面對的最大的困難之一在于表征、并進一步調控復雜的結構無序，這阻礙了對引入無序過程中晶體和非晶如何相互轉化的細致研究。不能在可控的“無序度”下研究材料特

2、性，就不可能澄清無序體系特性背后結構無序所扮演的角色。我們的研究集中在尋找復雜結構背后的秩序，并由此理解非晶固體特性與結構的關聯。
　　在第一章的背景介紹中，首先簡要回顧了軟物質領域的發(fā)展，介紹了軟物質的突出特點以及非晶材料研究的現狀。接著介紹了玻璃化轉變的基本動力學、熱力學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轉變的基本物理圖像。在短程純排斥小球構成的理想模型中，進一步論述了Jamming轉

3、變的臨界性以及點J附近固體的振動特性。最后，對有限溫度下的Jamming轉變以及它與玻璃化轉變的關系做了簡要討論。
　　本征振動模分析構成了理解非晶固體的重要手段。在第二章中，具體介紹了振動模的計算方法以及基本的分析和表征手段。在本章的最后，我們關注無序體系振動性質最重要的特征，即玻色峰的結構起因。在無序度可控的模型中，我們的分析表明波色峰并非起源于橫波范·霍夫奇點，并且在不同無序度下，可能與不同的特征結構相關聯。
　　在第

4、三章中，基于振動模的能均分原理構建了一個全新的序參量ψ。因為出發(fā)點并非幾何結構，此序參量可統(tǒng)一表征具有幾何、力學網絡、質量等多種形式無序的無序度，具有很強的普適性。通過分別驗證ψ與低溫下振動動力學以及躍遷型運動的關聯，我們建立了結構與低溫動力學的聯系。通過設計特殊的Pinning實驗，我們得以探測粒子在原位型中扮演的角色。我們發(fā)現，固定ψ值最大的粒子可以消除體系中的低頻準局域模，極大地提高系統(tǒng)在熱激發(fā)下的穩(wěn)定性，強烈壓制系統(tǒng)在擾動下的非

5、仿射形變從而提升彈性模量。這些結果表明ψ很好地刻畫了無序固體的組織結構。
　　在第四章中，我們報道了從晶體到無序晶體——一個隱藏的有序-無序轉變，并給出了包含整個無序度空間的固體物態(tài)相圖。我們發(fā)現，雖然在幾何結構上幾乎沒有變化，隨著粒子大小分散度的引入，晶體在極小的分散度下就會在力學以及振動特性上發(fā)生根本轉變。我們稱這類具有高度有序的幾何結構，但是在力學、彈性性質上更類似一般非晶固體的材料為無序晶體。晶體-無序晶體轉變點分散度ηc

6、在零壓極限下趨于零，這說明硬球最密堆積點是奇點。通過對轉變點附近無序晶體的細致表征，我們發(fā)現(1)玻色峰起始于這一隱藏的有序-無序轉變;(2)不同于通常認為的晶體物理和Jamming物理分別控制著有序和無序固體的性質，在轉變點附近反常的冪律標度行為意味著全新物態(tài)的存在。我們的結果說明當下人們對固體的認識是不全面的，特別是在有序-無序的邊界區(qū)域，固體可能具有不為人知的屬性。
　　在第五章，我們對本論文內容做了總結并對未來研究做了展望