徐宁教授和合作者绕开了穷举的困难,通过聚焦和初始不稳定相关联的低能量势垒,从独特的视角出发探讨能量图景的特性以及玻璃在能量图景中游走的行为。他们以最简单的非晶体系Marginally Jammed(边际堵塞或轻度堵塞)固体作为研究对象,希望以最简单的模式探讨本质问题。Jammed固体广义上是具有纯排斥相互作用、依靠挤压固化的玻璃。这类非晶固体具有Marginal Stability(边际稳定性),在压缩或剪切作用下会呈现不稳定、发生类似雪崩的塑性形变。在没有热运动的情况下,这种不稳定的发生对应于势垒的消失,因此,该初始不稳定与Jammed固体中存在的特别低的能量势垒密切相关。
二维Jammed固体在经历压缩(左)和剪切(右)不稳定过程中的位形和粒子位移场(箭头)。
该研究团队在Catastrophe Theory(灾难理论)所描述的Fold Instability(折叠不稳定)的理论框架下,理论预言了与初始不稳定相关联的能量势垒随体系形变的演化行为,与模拟的结果高度吻合,突出了势垒的非简谐性在初始不稳定的产生以及玻璃在能量图景中游走的关键性。虽然以往已经有了许多玻璃在外力驱动下雪崩行为的研究,但是对势垒非简谐性的统计表征还几乎没有报道。初始不稳定(对应于玻璃由一个亚稳态游走到另一个亚稳态)的统计研究能够为我们提供许多重要的信息,特别是反映出Jammed固体具有普适的非简谐特性,例如,该研究表明Jammed固体的低能势垒呈现出幂律分布,并且预言了由初始不稳定导致的Jammed固体低频本征振动模态密度与频率的三次方成正比,该预言或许能够给出玻璃在低温情况下反常热容的经典物理解释。
该工作得到了国家自然科学基金委和中国科大创新团队培育基金的支持。