非晶态转变动力学研究取得重要进展

在国家自然科学基金重点项目和面上项目等资助下，中国科学院东莞材料科学与技术研究所研究员武振伟、汪卫华团队与北京理工大学物理学院教授吕勇军团队合作，在非晶态转变的动力学机理方面取得重要进展。相关成果近日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

非晶态转变动力学的拓扑缺陷图像。(a) 涡旋线长度在非晶态形成过程中的变化；(b)-(d) 中低过冷区中，涡旋线长度与动力学关联长度、动力学非均匀性以及结构弛豫的关联；(e)-(g) 深过冷区中基于拓扑涡旋的结构弛豫机制解释。研究团队供图 在极高冷却速率下，液体绕过结晶形成原子排列长程无序的非晶态。这一过程伴随着粒子运动和结构弛豫逐渐变慢，但越来越多研究表明，非晶态形成并非简单的动力学迟滞。随温度降低，过冷液体动力学在深过冷区会急剧减慢，表现出显著偏离Arrhenius规律的超Arrhenius行为。如何从统一物理图像理解跨越整个过冷区的动力学演化，一直是非晶态物理的重要难题。 针对这一问题，研究团队结合理论与数值计算，从动力学拓扑缺陷角度提出了新思路。研究发现，粒子位移矢量场中存在大量正、反涡旋拓扑缺陷。随温度降低，涡旋数密度及几何结构呈非单调变化，并伴随一系列拓扑转变，涡旋团簇的尺寸和手性分布也随之不连续改变。在中低过冷区，短程涡旋团簇与结构弛豫密切相关，对应经典模式耦合理论描述的动力学行为；在深过冷区，拓扑转变促使部分涡旋团簇形成更长的涡旋线结构，通过促进邻近区域弛豫参与局部与整体结构重排，为理解超Arrhenius动力学行为提供了新视角。 基于上述发现，团队建立了一套以拓扑缺陷为内核的动力学描述框架，将中低过冷区与深过冷区的动力学特征统一联系起来，揭示了涡旋数量、几何形态及拓扑转变与非晶态形成过程中动力学转变之间的关联。该研究为理解过冷液体复杂动力学演化提供了新思路，也为从拓扑结构出发研究非晶态形成机制开辟了新方向。