“结构决定性能”是有序固体广泛遵循的经典范式。但面向玻璃态等拓扑无序固体时，该范式变得扑朔迷离。近日，中国科学院力学研究所蒋敏强研究团队通过对玻璃弛豫的可控调制，发现中程序结构决定了快弛豫动力学，相关研究结果以“Splitting of fast relaxation in a metallic glass by laser shocks”发表在Physical Review B 109, 024201 (2024).

玻璃态物质的弛豫动力学被认为是凝聚态物理领域最深奥、最具挑战的未解难题。金属玻璃由于接近原子密堆结构为研究玻璃弛豫提供了理想体系。研究发现，除普遍存在α主弛豫和β次弛豫外，金属玻璃在室温以下还存在时空尺度更小的快弛豫现象，且与低温塑性密切相关。这引起了国内外学者的广泛研究，但快弛豫到底取决于玻璃的什么结构仍然没有定论。

研究团队以典型锆基金属玻璃为模型材料，通过激光冲击强化（也称激光喷丸）和等温退火技术对其快弛豫进行调制。实验发现，激光弹性冲击使玻璃的快弛豫β’峰劈裂出一个新的γ峰，而进一步的等温退火使快弛豫的双峰结构恢复为单峰β’。高温和低温比热测量显示，快弛豫的动力学劈裂对应于微弱的结构年轻化。基于高分辨电镜观测和同步辐射高能X射线衍射分析，研究团队发现激光冲击使近邻团簇通过棱边共享的中程序结构含量的增加，从而导致γ快弛豫的激活；近邻团簇通过面共享和相互贯穿形成的稳定中程序结构则对应β’快弛豫的激活；上述中程序结构重构可通过等温退火恢复到初始态。这种弛豫动力学与原子结构的对应关系，为理解玻璃快弛豫的结构起源提供了确凿的证据。最后，研究发现快弛豫劈裂的确有助于改善玻璃的室温塑性。

第一作者为力学所2018级博士生杨成，通讯作者为蒋敏强研究员。该研究得到了国家杰出青年科学基金项目“非晶态固体力学”、基金委基础科学中心项目“非线性力学的多尺度问题”等资助。

论文链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.109.024201

图1. 玻璃快弛豫动力学劈裂的结构起源：中程序结构重构