首次實驗觀測到非晶材料的高頻橫波聲子
從固體的微觀結構去了解其不同的物理特性，對於凝聚態物理學以至材料的應用，均極為重要。然而，由於非晶材料具有排列無序的原子結構，非晶材料仍有很多未解之謎。最近，一支由香港城市大學（香港城大）物理學家領導的國際研究團隊，便透過最先進的中子散射譜儀及分子動力學模擬，首次證實了在金屬玻璃裡測得高頻橫波聲子。他們的研究結果更提出非晶材料的原子結構與其原子動力學屬性相關，為了解排列無序材料的原子結構與動力學關係帶來了新啟示。
在凝聚態物理學（探索固體材料的物理學）裡，固體因應其原子排列可分為兩大類︰晶態固體和非晶態固體。晶態固體的一大特色是其原子排列方式會周期性地重複，稱為長程序 （long-range order），但非晶態固體（又稱為玻璃）則沒有。
由於非晶態材料沒有這個長程有序的原子排列結構，科學家難以把已經適用於晶態固體的結構探查技術，應用到非晶材料上並確定其具體的原子排列。而非晶材料的聲子振動模式亦遠比晶態材料複雜。事實上，頂尖學術期刊《科學》把玻璃結構的原子結構與動力學，視為125個科學難題之一。
(Photo source: https://www.britannica.com/science/amorphous-solid)
聲子（Phonons）是晶格裡的原子以某頻率振動的量子力學描述。跟波動一樣，聲子有兩種振動模式，分別是縱向振動（longitudinal vibrations）和橫向振動（transverse vibrations）。聲子的概念解釋了晶態固體很多的物理特性，例如熱傳導。然而，對於非晶材料，則仍有多謎團。
領導是次研究的香港城大物理學系系主任兼講座教授王循理教授說︰「我們知道縱波聲子無處不在，存在於固體、液體、玻璃結構，以至氣體，也因此我們能聽到聲音。橫波聲子則由於涉及材料的剪應力，我們知道它存在於晶態固體，而氣體裡則沒有，因我們不能剪開氣體。但是否存在於非晶態材料和液體，我們則不肯定。」是次研究，便是希望找出非晶材料裡的橫波聲子的本質。
研究團隊憑借於美國橡樹嶺國家實驗室散裂中子原的最先進實驗譜儀，使用了飛行時間非彈性中子散射技術，測量一種含有鋯、銅和鋁的金屬玻璃。
團隊首次展示了在非晶材料裡，存在高頻橫波聲子。這一發現推翻了橫波聲子只存在於低頻區域的觀點。
為了核實他們的觀測所得，團隊進行了一系列精密的分子動力學模擬。基於模擬結果，他們發現金屬玻璃裡的橫波聲子的動力學，與金屬玻璃的無序結構相關；如圖 4(a)的上圖所示，紅點線與黑線同步，橫波聲子的半峰寬跟隨靜態結構因子（static structure factor）。然而，縱波聲子並沒有這關連。這個相關關係表明，橫波聲子對於理解非晶材料的原子結構與原子動力學的關係，具有重要作用。
研究團隊亦對一種通用型的玻璃結構進行模擬，並獲得相類似結果，有力地顯示這個相關關係並非只出現於金屬玻璃體系，而是普遍存在於非晶材料裡。
王教授說︰「由於原子排列無序，要以實驗來研究非晶材料的物理特性一向十分困難。但有賴於中子散射儀器的不斷進步，讓我們有機會對非晶材料進一步探索。」
團隊的研究成果近日於科學期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表，題為“Observation of High-Frequency Transverse Phonons in Metallic Glasses”。
王教授說︰「目前有很多關於液體和玻璃的結構和動力學的理論和模型，我們的研究結果正好為日後進一步研究玻璃材料的原子結構與動力學關係、建構相關理論和模型時，提供一個新的指導方向。」
王教授與中國人民大學的李茂枝教授是論文的共同通訊作者。論文共同第一作者是香港城大與中國科學院物理所的聯合博士生李西陽、人民大學的張華平及香港城大物理學系的蘭司（現於南京理工大學任職）。其他合作者包括美國橡樹嶺國家實驗室的Douglas Abernathy博士、日本質子加速器研究中心（The Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC）的Toshiya Otomo博士和美國阿貢國家實驗室的任洋博士。
這項研究的經費來源包括裘槎基金會、香港研究資助局，以及國家自然科學基金委員會。
DOI number: 10.1103/PhysRevLett.124.225902