大皖新聞訊 2月18日，大皖新聞記者從中國科學技術大學獲悉，該校童華教授、徐寧教授及其合作者在非晶物態理論研究中取得重要突破。研究實現了兼具非晶結構與晶體般完美結構效率和穩定性的全新有序物態——理想非晶體，並發展類似路徑積分的關聯表徵方法，揭示了其非常規的長程空間關聯，這項工作具有重要的學術價值與應用前景。
「空間位阻」造就的有序奧秘
相關人員表示，在凝聚態物理領域，「有序」與「無序」是貫穿始終的核心命題。在傳統認知中，有序往往意味著對稱破缺。最典型的例子就是晶體，其原子的周期性排布打破了空間平移和旋轉對稱性；對立面則是排列混亂、隨機的玻璃態物質。沿著從晶體到准晶的探索方向，是否存在一種不打破平移或旋轉對稱性、卻高度有序的全新物態？沿著相反的方向探索玻璃和玻璃化轉變過程中可能隱藏的結構序，同樣會觸達這一基本問題。
左圖為二維理想非晶體的位型圖；中圖為理想非晶中隱藏的相干路徑；右圖展示了基於相干路徑定義的類似路徑積分的空間關聯表徵方法
「雖然大量的實驗事實告訴我們，『有序』意味著原子像地板上的瓷磚一樣排列，即通過打破平移和旋轉對稱性形成的重複圖案，熱力學基本原理卻隱含著其他可能。」相關人員稱，理想非晶體正是這一隱藏可能性的體現，其通過最優空間位阻堆積實現有序——這是一種每個粒子都以可能的最高效率排列以減少「浪費」空間的最優狀態。
研究團隊首先定義了一個不依賴於特定對稱性的位阻有序參數，並在前期工作中證明了其熱力學意義。以此為指引，研究團隊在二維多分散粒子體系中結合熱力學演化和優化演算法方法，成功製備出滿足吉布斯純相定義的理想非晶體。由於缺少已知的對稱性破缺，傳統方法無法揭示理想非晶態的有序性。針對該問題，團隊突破對稱性框架創新性提出相干路徑的概念，在此視角下，晶體序恰好是這種更一般的結構序的一個特例。
表現出「超穩定性」
記者了解到，研究對理想非晶體的物性進行了基本表徵。結果表明，其儘管看起來像隨機排列的液體，但物理性能如同晶體，具有一系列此前被認為非晶結構不可能具備的「類晶體」特性。
熱力學穩定性：理想非晶體的熔化過程呈現勢能突變的類一級相變特徵，表現出「超穩定性」；聲子振動譜：理想非晶體的低頻振動幾乎是完美的德拜型聲子模式，無非晶體系典型的低頻准局域模式和玻色峰；機械強度：其彈性響應是完全仿射的，使其機械行為像傳統金屬一樣可預測；高度均勻性：它們表現出超均勻性，這是一種能抑制大尺度密度波動的特殊狀態，保證其極為出色的材料一致性。
研究成果在線發表於《自然·材料》
記者獲悉，這項工作兼具有重要的學術價值與應用前景。在基礎研究層面，理想非晶體拓展了物質有序態的範疇，通過彌合混沌與幾何之間的鴻溝，這種新物態證明了有序並不總是需要對稱破缺——有時，它只需要追求效率的完美；在應用層面，其為設計既像玻璃一樣各向同性、又在物理性質上趨於完美的新型非晶材料提供了全新思路。
該研究受到了中國國家自然科學基金的資助，相關研究成果已在線發表在《自然·材料》雜誌上。
大皖新聞記者 魏鑫鑫
編輯 王翠
