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課早金蟲 (正式寫手)
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非晶中弛豫與擴(kuò)散問題研究進(jìn)展 已有3人參與
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復(fù)雜多體系統(tǒng)（包括非晶形成液體）中的弛豫與擴(kuò)散問題—-一個(gè)重要而又未解決的物理問題。在自然界中,不同系統(tǒng)以及材料中的弛豫和擴(kuò)散現(xiàn)象無處不在. 這種不可逆的物理及化學(xué)過程是使系統(tǒng)微擾和耗散得以進(jìn)行的必要條件,是維持平衡和進(jìn)一步演化的前提.研究這一過程非常重要,因?yàn)樗鼪Q定了凝聚態(tài)物質(zhì)的基本特征和應(yīng)用。 在玻璃態(tài)物理中的一個(gè)重要問題: 弛豫和擴(kuò)散的關(guān)系。弛豫和擴(kuò)散是過冷液體和玻璃態(tài)物質(zhì)的兩個(gè)基本的動(dòng)力學(xué)過程。對于一般液體，高溫時(shí)（熔點(diǎn)以上），液體只有一個(gè)弛豫過程（α弛豫），其弛豫時(shí)間和液體的擴(kuò)散系數(shù)是通過Stokes-Einstein關(guān)系關(guān)聯(lián)的， Stokes–Einstein關(guān)系式是愛因斯坦1905年在研究布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。然而，隨著溫度降低，形成非晶的過冷液體的弛豫和擴(kuò)散行為都變得更加復(fù)雜。一方面，弛豫模式發(fā)生分裂， β弛豫過程出現(xiàn)。另一方面，在較低的溫度時(shí)還會發(fā)生不同組分?jǐn)U散系數(shù)的解耦-即不同大小的原子擴(kuò)散系數(shù)不再相等。同時(shí)，幾乎在所有的過冷液體中多發(fā)現(xiàn)Stokes-Einstein關(guān)系不再適用。一般認(rèn)為，這可能和動(dòng)力學(xué)非均勻性有關(guān)，但其背后的物理機(jī)制仍然不清楚。過冷液體和玻璃態(tài)中擴(kuò)散和弛豫的關(guān)系是目前玻璃物理的重要問題。 物理研究所非晶研究組在非晶合金弛豫研究領(lǐng)域開展系統(tǒng)工作，并取得了一系列成果。他們的研究發(fā)現(xiàn)β弛豫在玻璃態(tài)物質(zhì)中有非常重要的作用。他們的前期研究發(fā)現(xiàn)金屬玻璃塑性形變和β弛豫有密切的聯(lián)系。例如，他們從實(shí)驗(yàn)上證明了金屬玻璃塑性形變基本單元STZ的激活能WSTZ和β弛豫的激活能Eβ在量值上是相等的，即Eβ=WSTZ，這揭示了金屬玻璃塑性形變和弛豫之間的內(nèi)在聯(lián)系[Phys Rev B 81, 220201(R) (2010)]。他們還從β弛豫和STZ的關(guān)聯(lián)性出發(fā)， 研制出了一種能夠在室溫附近進(jìn)行拉伸塑性形變的新型La基非晶合金，闡明了金屬玻璃韌脆轉(zhuǎn)變和STZ的運(yùn)動(dòng)以及β弛豫之間的關(guān)聯(lián) [Phys. Rev. Lett.108, 015504 (2012)]。 最近他們與德國哥廷根大學(xué)，美國北卡羅來納大學(xué)合作，系統(tǒng)比較了弛豫和擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)β弛豫和金屬玻璃組分中最小原子的擴(kuò)散有密切關(guān)系。在不同金屬玻璃體系中，他們發(fā)現(xiàn)最小原子的擴(kuò)散和β弛豫發(fā)生在相同的時(shí)間-溫度范圍內(nèi)，而且二者的激活能是相等的。這表明小原子的擴(kuò)散行為是和β弛豫耦合在一起的，雖然整體上擴(kuò)散和弛豫已經(jīng)沒有明顯關(guān)聯(lián)。他們指出可能是由于β弛豫的協(xié)同作用，導(dǎo)致了小原子擴(kuò)散速度增加，使得Stokes-Einstein關(guān)系不再成立。另一方面，該結(jié)果對理解金屬玻璃的β弛豫有重要意義。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Phys. Rev. Lett.109, 095508 (2012)。 |
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