近日，物理復旦大學物理學系譚鵬課題組及其合作者在玻璃結構弛豫研究中取得重要進展。學系4月20日，譚鵬相關研究成果以《二維玻璃系統中慢弛豫的課題可視化》（Visualizing slow internal relaxations in a two-dimensional glassy system）為題在線發表于期刊《自然·物理》。

玻璃的組及作者中本質以及玻璃化轉變被認為是凝聚態物理最深刻和困難的問題之一。過冷液體既可以發生“結晶相變”，其合從無序液體演化成有序晶體；又可以發生“玻璃相變”形成非晶固體即玻璃態。玻璃雖然流動和大尺度的結構進展結構弛豫被“凍結”，表現出類似固體的弛豫性質，但在玻璃或非晶固體中仍然存在微小尺度的研究結構弛豫，對應于系統在不同的得重固有狀態（Inherent State）間的跳躍。玻璃態系統具有非常多的物理固有狀態（Inherent State），并且，學系玻璃態系統中結構弛豫的譚鵬動力學呈現出奇特的“層級性”，從快到慢分成快Beta弛豫、課題慢Beta弛豫和Alpha弛豫，在時間尺度上可以橫跨1012數量級。其中，Alpha弛豫在可測時間內的停止（弛豫時間發散）是發生玻璃化轉變的主要特征。讓學界一直困惑的是幾乎所有的玻璃態系統中都可以觀測到慢Beta弛豫，既可以出現在玻璃轉變點之前（深過冷液體），又可以發生于玻璃轉變點之后，而且在譜學上表現出多化的特征。從微觀動力學角度剖析Beta弛豫的快慢分級，闡釋慢Beta弛豫行為的普遍性、多樣性及其與Alpha弛豫的關聯是深入理解玻璃態系統奇特動力學“相行為”的關鍵核心問題。

圖1. 能量圖景中各層級弛豫示意圖，以及二維雙分散顆粒系統實驗裝置示意圖

研究上述問題需要將不同時間、空間尺度的弛豫準確區分，但不同弛豫的時間尺度相隔多個數量級且Beta弛豫的空間尺度非常小；想要通過實驗在如此巨大的時間尺度上中獲取粒子微小運動的實空間信息，非常具有挑戰性。為了實現玻璃系統結構弛豫過程的可視化，研究團隊設計了由磁盤組成的二維(2D)雙分散顆粒系統，可以在超長時間內精確測量微小的結構調整。通過引入隨機粒子釘扎，以可控的方式誘導玻璃化轉變；同時通過施加足夠小的機械擾動，模擬低溫下的熱激發。該模型系統可以探測從接近玻璃態到深入玻璃態的弛豫動力學。此外通過膠體實驗，我們建立了另一種相互作用形式的模型系統。

通過使用兩類模型系統作為極限，（Type I系統，長程-軟相互作用模型和Type II系統，硬球作用模型），研究團隊揭示了玻璃態系統弛豫動力學“分層級”的普遍性，又解釋了同一層級的弛豫行為在微觀表現形式上的多樣性：I類和II類系統具有同樣的弛豫動力學分級特性、同樣的Alpha弛豫微觀形式和不同極限形式的慢Beta弛豫。

表1.不同非晶固體以及晶體中，結構弛豫模式的比較

此研究工作對玻璃態系統不同層級和時間尺度的弛豫行為進行剖析，量化了各類結構弛豫，并與宏觀力學特性（硬度）對應，深化了學界對玻璃態系統復雜動力學行為的認識，同時希望為制備具有長時間穩定性和理想機械性質的新材料提供思路。

復旦大學物理學系、應用表面物理國家重點實驗室和微納電子器件與量子計算機研究院為論文第一單位。譚鵬課題組的研究生和本科生為論文的第一、第二、第三作者。本項工作得到了復旦大學物理學系、應用表面物理國家重點實驗室、上海市教委以及國家自然科學基金委項目的大力支持與資助

制圖：實習編輯：責任編輯：李斯嘉