【中玻網(wǎng)】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院教授徐寧、美國賓夕法尼亞大學(xué)教授A(yíng)ndrea J.Liu與美國芝加哥大學(xué)教授Sidney R.Nagel合作，在非晶固體特別是Jammed固體和玻璃態(tài)的振動(dòng)特性研究中取得一系列研究成果。較近，在非晶固體負載不穩定性的研究中也取得進(jìn)展，11月20日相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

　　玻璃是典型的非晶固體，通常處于復雜能量圖景（Energy Landscape）中的一些亞穩態(tài)上。玻璃隨著(zhù)時(shí)間的推移會(huì )緩慢老化，說(shuō)明它在低于玻璃化轉變溫度的狀態(tài)下仍會(huì )在能量圖景中游走。然而，玻璃是如何在復雜能量圖景中游走，一直是理論和計算模擬的挑戰。這主要源于玻璃的非平衡特性，能量圖景中存在數目較大的亞穩態(tài)，在計算模擬中窮舉出足夠多的亞穩態(tài)存在較大的困難。

　　研究人員繞開(kāi)窮舉的困難，通過(guò)聚焦和初始不穩定相關(guān)聯(lián)的低能量勢壘，從獨特的視角出發(fā)探討能量圖景的特性以及玻璃在能量圖景中游走的行為。他們以較簡(jiǎn)單的非晶體系Marginally Jammed（邊際堵塞或輕度堵塞）固體作為研究對象，希望以較簡(jiǎn)單的模式探討本質(zhì)問(wèn)題。Jammed固體廣義上是具有純排斥相互作用、依靠擠壓固化的玻璃。這類(lèi)非晶固體具有Marginal Stability（邊際穩定性），在壓縮或剪切作用下會(huì )呈現不穩定、發(fā)生類(lèi)似雪崩的塑性形變。在沒(méi)有熱運動(dòng)的情況下，這種不穩定的發(fā)生對應于勢壘的消失，因此，該初始不穩定與Jammed固體中存在的特別低的能量勢壘密切相關(guān)。

　　研究團隊在Catastrophe Theory（災難理論）所描述的Fold Instability（折疊不穩定）的理論框架下，理論預言了與初始不穩定相關(guān)聯(lián)的能量勢壘隨體系形變的演化行為，與模擬的結果高度吻合，突出了勢壘的非簡(jiǎn)諧性在初始不穩定的產(chǎn)生以及玻璃在能量圖景中游走的關(guān)鍵性。以往已有許多玻璃在外力驅動(dòng)下雪崩行為的研究，但對勢壘非簡(jiǎn)諧性的統計表征鮮有報道。初始不穩定（對應于玻璃由一個(gè)亞穩態(tài)游走到另一個(gè)亞穩態(tài)）的統計研究能夠提供許多重要信息，特別是反映出Jammed固體具有普適的非簡(jiǎn)諧特性，研究表明Jammed固體的低能勢壘呈現出冪律分布，并預言由初始不穩定導致的Jammed固體低頻本征振動(dòng)模態(tài)密度與頻率的三次方成正比，該預言或能給出玻璃在低溫情況下反常熱容的經(jīng)典物理解釋。

　　二維Jammed固體在經(jīng)歷壓縮（左）和剪切（右）不穩定過(guò)程中的位形和粒子位移場(chǎng)（箭頭）。