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    中国科学院物理研究所用记忆效应揭示非晶中玻色峰与结构弛豫的关联

    日期 2016-05-18   来源:工程与材料学部   作者:郑雁军  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金(项目批准号51271195, 5141101072, 51571209)等的资助下,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)汪卫华研究组在用记忆效应揭示非晶中玻色峰与结构弛豫的关联方面取得新进展。有关研究成果以“Memory Effect Manifested by a Boson Peak in Metallic Glass” (金属玻璃中波色峰展示的记忆效应)为题于2016年4月27日在PHYSICAL REVIEW LETTERS发表。论文链接:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.175901

      在非晶固体的形成过程中,较快的冷却往往导致材料内部产生局域内应力。这种局域应力会驱动原子重排,使体系向低能态弛豫。非晶材料的结构弛豫直接导致材料老化,改变材料性能,是物理和材料科学中广泛关注的问题。

      如果在结构弛豫发生之前体系经历了某种热处理历史,则非晶材料的结构弛豫可能在短时间内先反常地向高能态转变,而后再向低能态弛豫,好像“记住”了其最初所处的高能态,称之为“记忆效应”。

      结构弛豫只是非晶物质复杂动力学行为的一种。非晶物质还有一个突出的动力学特征,即在一定频率范围,非晶物质表现出相对于晶体而言过高的振动态密度,导致相对于晶体而言过高的比热,在低温下尤为突出,称为玻色峰。在以往的工作中,非晶材料这些典型的动力学过程多数是被单独研究的,很少涉及它们之间的关联性。

      汪卫华研究组以非晶合金(又称金属玻璃)为模型体系,基于记忆效应,系统地研究了玻色峰与结构弛豫的关系。他们通过差示扫描量热法(DSC)测量样品在升温过程中的吸放热行为来表征其能态,以能态变化作为参量来表征结构弛豫过程。通过综合物性测试系统(PPMS)测量非晶样品在低温下的比热来表征玻色峰。在同一温度退火,随着退火时间延长,体系向低能态弛豫,玻色峰强度逐渐降低。如果样品事先在较低温度退火一段时间,再在较高温度退火,此时体系能态先上升后下降,表现出明显的非单调行为。有趣的是,玻色峰在相同的温度处理程序下同样表现出记忆效应,而且与体系能态变化呈现很好的线性关系,从而证明玻色峰也具有记忆效应。这揭示出非晶中结构弛豫和原子振动这两个时间尺度相差十几个量级,能量尺度相差约三个量级的动力学行为之间的直接关联,深化了我们对非晶中重要的动力学模式玻色峰和结构弛豫,以及记忆效应这样一些关键问题的认识,也为我们甄别非晶中众多的理论模型提供了重要依据。




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