研究了材料缺陷对熔化过程的影响

普罗维登斯，罗德岛[布朗大学]——1972年，物理学家J.迈克尔·科斯特利茨和大卫·索利斯发表了一项突破性的理论，该理论研究了二维材料中相变是如何发生的。很快的实验表明,理论正确捕获的过程从超流氦膜过渡到正常的流体,帮助开创一个新时代的研究超薄材料,阿伯丁大学科斯特利兹,更不用说获得布朗大学教授,Thouless股票2016年诺贝尔物理学奖。

但是Kosterlitz-Thouless (K-T)理论的目的不仅仅是解释超流体的转变。两人还希望这能解释二维固体是如何融化成液体的，但迄今为止，实验未能清楚地验证这种情况下的理论。现在，另一组布朗物理学家的新研究可以帮助解释理论和实验之间的不匹配。

这项研究发表在美国国家科学院院刊》上,显示出杂质,“额外”原子晶体结构的材料,会破坏系统的订单,导致融化开始在k – t大灭绝理论章新胜凌(左)与阿伯丁大学科斯特利兹在斯德哥尔摩的同事迈克尔表示庆祝2016年诺贝尔物理学奖。预测。研究人员说，这些发现向更完整的融化物理理论迈进了一步。

“固-液转换是我们都熟悉的东西，但它是现代物理学的一个重大失败，我们仍然不知道它是如何发生的，”布朗大学物理学教授、新论文的资深作者凌新生说。“我们发现，杂质——不包括在K-T理论中，但总是在真实的材料中发现——在熔化过程中起着重要作用。”

尽管细节仍然是一个主要的谜，科学家们已经基本了解固体是如何融化的。当温度升高时，固体晶格中的原子开始振动。如果震动变得太剧烈，晶格无法结合在一起，固体就会融化成液体。但是，熔化过程究竟是如何开始的，以及为什么它会在固体中的某些地方而不是其他地方开始，这些都还不清楚。

在这项新的研究中，研究人员使用悬浮在高度去离子水中的微小聚苯乙烯颗粒。带电粒子之间的电作用力使它们以类似晶体的晶格排列，类似于原子在固体材料中的排列方式。利用激光束移动单个粒子，研究人员可以看到晶格缺陷是如何影响晶格的顺序的。

缺陷通常有两种形式——空穴，即颗粒缺失，和间隙，即颗粒多于应有数量。这项新的研究特别关注了间质的影响，这是以前没有研究过的。

研究发现，在给定区域内的一个间隙对晶格的行为影响不大，而两个间隙对晶格的行为影响很大。

“我们发现，两个间隙缺陷在某种程度上破坏了结构的对称性，而单个缺陷则不会，”凌说。“对称性的破坏导致了K-T预测之前的局部融化。”

这是因为K-T理论处理的是由热波动引起的缺陷，而不是晶格中可能已经存在的缺陷。

“真正的材料是凌乱的，”凌说。“总有杂质存在。简而言之，该系统无法区分哪些是杂质，哪些是由热搅动造成的缺陷，热搅动会导致在预测之前熔化。”

研究人员说，这项研究使用的技术可能在其他地方也有用。例如，它可以用于研究硬玻璃向粘性液体的转变，这是一种还缺乏完整解释的与固-液转变相关的现象。

“我们认为，我们偶然发现了一种揭示材料物理学中对称性破坏机制的新方法，”凌说。“除了这些发现之外，研究方法本身可能会成为这篇论文中最重要的东西。”

论文的合著者是前布朗大学博士生Sung-Cheol Kim、Lichao Yu和Alexandros Pertsinidis，他们都是在布朗大学Ling实验室完成博士论文的。该研究得到了美国国家科学基金会(DMR- 1005705)的支持。