Oprindelsen af ​​bosontoppen i amorfe faste stoffer

Forskere fra Institute of Industrial Science ved University of Tokyo brugte simuleringer af molekylær dynamik til bedre at forstå de usædvanlige egenskaber ved amorfe faste stoffer, såsom glas. De fandt ud af, at visse dynamiske defekter hjælper med at forklare de tilladte vibrationstilstande inde i materialet. Dette arbejde kan føre til at kontrollere egenskaberne af amorfe materialer.

Nogle gange annonceres dyrt glas som "krystal", men for materialeforskere kunne dette ikke være længere fra sandheden. Krystaller er dannet af atomer arrangeret i ordnede, gentagne mønstre, mens glas er et uordnet, amorft fast stof. Forskere ved, at mange uordnede materialer ved lave temperaturer har egenskaber, der minder meget om hinanden, herunder specifik varme og termisk ledningsevne. Derudover adskiller disse egenskaber sig væsentligt fra egenskaberne for materialer fremstillet af ordnede krystaller. Desuden har glasagtige materialer ved et bestemt frekvensområde et større antal tilgængelige vibrationstilstande end krystaller, kendt på området som "boson-toppen". Mens forskellige teorier er blevet foreslået, er de underliggende fysiske mekanismer for disse observationer forblevet et spørgsmål om aktiv forskning.

Nu har forskere fra Tokyo University brugt sofistikerede computersimuleringer med molekylær dynamik til numerisk at beregne de tværgående og langsgående dynamiske strukturfaktorer for modelbriller over en lang række frekvenser. De fandt ud af, at strenglignende vibrationsbevægelser, hvor buede linjer af partikler pakket ind i en "C"-form inde i materialet kan bevæge sig sammen, viste sig at være vigtige drivkræfter for de unormale effekter. "Disse dynamiske defekter giver en fælles forklaring på oprindelsen af ​​de mest fundamentale dynamiske tilstande af glasagtige systemer," siger førsteforfatter Yuan-Chao Hu. Ud over bosontoppen kan disse strenglignende dynamiske defekter forårsage de typer af hurtig og langsom afslapning, der observeres i partiklerne, der udgør glasset.

Denne forskning har mange vigtige implikationer for både grundlæggende videnskab og industrielle anvendelser, fordi bosontoppen findes i mange systemer, ikke kun briller. "Vi viser, at bosontoppen stammer fra kvasi-lokaliserede vibrationer af strenglignende dynamiske defekter," siger seniorforfatter Hajime Tanaka. At kunne forklare denne funktion vil kaste lys over mange andre typer uordnede materialer. Det vil også gavne de mange brugere af smarte enheder, fordi næsten alle smartphones, tablets og bærbare computere med touchscreen er afhængige af glasmaterialer, som resultaterne af denne undersøgelse kan forbedre.

Værket er udgivet i Nature Physics . + Udforsk yderligere

Lyser på uordnede og fraktale systemer