無序系統原子動力學中「弦」與「環」的起源：基於密度子的重新詮釋

核心概念

過去認為無序系統原子動力學中的「弦」是由集體原子運動形成的，但這篇文章通過分子動力學模擬表明，「弦」實際上是局部密度擾動（稱為「密度子」）傳播的軌跡，並非真正的集體運動。

摘要

無序系統原子動力學中「弦」與「環」的起源：基於密度子的重新詮釋

這篇研究論文探討了無序系統（如過冷液體和預熔化界面）中原子動力學的關鍵特徵——「弦」和「環」的起源。傳統觀點認為，這些結構是由原子集體位移形成的。然而，本文作者通過分子動力學（MD）模擬提出了不同的見解。

無序材料中的原子動力學控制著許多材料特性，例如擴散傳質、黏度和熱傳導。
無序系統的一個顯著特徵是空間和時間上的動態異質性，即原子遷移率在系統中分佈極不均勻，並且這種分佈隨時間不斷變化。
MD模擬顯示，原子位移通常以「弦」的形式出現，即一組原子的位移使得一個原子跳入另一個原子的先前位置，而另一個原子又跳入另一個原子的先前位置，依此類推。
「弦」偶爾會閉合成「環」。
傳統上認為，「弦」是一種準一維動態對象，表示一組原子的集體（也稱為協同或相關）位移。

作者使用分子動力學（MD）模擬來研究晶體和無序系統中的原子軌跡。
他們分析了由空位和間隙原子引起的原子位移，以及在過冷液體和熱無序界面（如晶界和相界）中形成的「弦」和「環」。

從以下內容提煉的關鍵洞見

The origin of strings and rings in the atomic dynamics of disordered systems

by Omar Hussein... 於 arxiv.org 11-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.14610.pdf

深入探究

密度子模型如何應用於解釋非金屬無序系統（如玻璃）中的原子動力學？

密度子模型可以有效地應用於解釋非金屬無序系統（如玻璃）中的原子動力學，其核心概念如下：

**結構類比：**儘管非晶結構缺乏晶體的長程有序性，但密度子模型指出，類似於晶體中的空位和間隙原子，非晶結構中也存在局部密度漲落。這些漲落可以被視為「類空位」或「類間隙原子」，分別對應於負密度子和正密度子。

**動力學機制：**密度子模型認為，非晶系統中的原子運動並非完全隨機，而是受到密度子運動的驅動。負密度子（類空位）的遷移會導致原子朝相反方向移動，形成「反向傳播」的原子位移鏈；而正密度子（類間隙原子）的遷移則會導致原子朝相同方向移動，形成「正向傳播」的原子位移鏈。

**動力學異質性：**非晶系統中密度子的分佈和遷移速率不均勻，導致了系統的動力學異質性。某些區域的密度子濃度較高，原子移動性較強；而另一些區域的密度子濃度較低，原子移動性較弱。

**宏觀性質關聯：**密度子的遷移速率和壽命直接影響著非晶系統的宏觀性質，例如黏度、擴散係數和結構弛豫行為。

以玻璃為例，其原子結構雖然無序，但仍存在著局部密度漲落。密度子模型可以解釋玻璃的以下特性：

**玻璃轉變：**隨著溫度降低，密度子的遷移速率減慢，導致系統的黏度急劇增加，最終轉變為玻璃態。
**非指數弛豫：**由於密度子的分佈和遷移速率不均勻，玻璃的結構弛豫行為呈現出非指數形式。
**老化現象：**隨著時間推移，玻璃中的密度子會逐漸湮滅或被困在低能量狀態，導致系統的自由體積減少，結構更加緻密，宏觀表現為黏度增加和體積收縮。
總之，密度子模型提供了一個統一的框架，可以解釋晶體和非晶系統中的原子動力學行為。對於非金屬無序系統，該模型強調了局部密度漲落的重要性，並將其與系統的宏觀性質聯繫起來。

如果「弦」只是密度子運動的軌跡，那麼它們在理解無序系統的宏觀特性（如黏度和擴散）方面還有什麼意義？

即使「弦」只是密度子運動的軌跡，而非先前認為的集體原子運動，它們仍然是理解無序系統宏觀特性的重要指標，理由如下：

**密度子動力學的探針：**弦的長度和形狀反映了密度子的遷移路徑和壽命。通過分析弦的統計特性，可以推斷出密度子的遷移機制、遷移速率和與周圍環境的相互作用。

**動力學異質性的表徵：**弦的空間分佈可以揭示無序系統中動力學異質性的程度。弦較長的區域表示密度子遷移較活躍，而弦較短的區域則表示密度子遷移較緩慢。

**宏觀性質的關聯：**弦的統計特性與無序系統的宏觀性質密切相關。例如，弦的平均長度與黏度和擴散係數呈負相關，即弦越長，系統的黏度越低，擴散係數越高。

具體來說：

**黏度：**密度子的遷移是無序系統發生塑性變形的關鍵機制。弦的長度和形狀可以反映密度子克服能量障礙的能力，進而影響系統的黏度。
**擴散：**密度子的遷移也為原子擴散提供了途徑。弦的長度和形狀可以反映原子擴散的路径和效率，進而影響系統的擴散係數。
因此，即使弦本身不是一個獨立的動力學實體，但作為密度子運動的軌跡，它們仍然是研究無序系統原子動力學和宏觀性質的重要工具。通過分析弦的統計特性，可以深入理解密度子的動力學行為，並建立其與宏觀性質之間的聯繫。

能否設計實驗來直接觀察密度子的運動並驗證其在原子動力學中的作用？

直接觀察密度子的運動並不容易，因為它們是局部的密度漲落，缺乏晶體缺陷那樣的明確結構特徵。然而，一些先進的實驗技術可以間接地探測密度子的動力學行為，並驗證其在原子動力學中的作用。以下是一些可能的實驗設計思路：

高分辨透射電子顯微鏡 (HRTEM)： HRTEM 可以分辨出原子尺度的結構細節，並觀察到原子運動的軌跡。通過對非晶材料進行原位加熱或加載實驗，可以觀察到原子運動的變化，並分析其與密度子模型的預測是否一致。例如，可以觀察到原子是否沿著弦狀路径移動，以及弦的長度和形狀是否與溫度或應力有關。

動態力學分析 (DMA)： DMA 可以測量材料的黏彈性，並揭示其弛豫行為。通過對非晶材料進行不同频率和溫度的 DMA 測量，可以分析其弛豫時間譜，並與密度子模型的預測進行比較。例如，可以觀察到弛豫時間譜是否呈現出非指數形式，以及弛豫時間與溫度或频率的關係是否符合密度子模型的預測。

非彈性中子散射 (INS)： INS 可以探測材料中的原子振動模式，並揭示其動力學特性。通過對非晶材料進行 INS 測量，可以分析其振動密度態，並與密度子模型的預測進行比較。例如，可以觀察到振動密度態中是否存在與密度子運動相關的低频模式，以及這些模式的强度和频率是否與溫度或壓力有關。

多維核磁共振 (NMR)： 多維 NMR 可以探測原子核的局部環境和動力學行為。通過對非晶材料進行多維 NMR 測量，可以分析其原子核的自旋弛豫時間，並與密度子模型的預測進行比較。例如，可以觀察到自旋弛豫時間是否呈現出非指數形式，以及弛豫時間與溫度或成分的關係是否符合密度子模型的預測。

需要注意的是，上述實驗方法只能間接地探測密度子的動力學行為，需要結合理論模擬和數據分析才能得出可靠的結論。此外，由於密度子的尺寸和壽命都非常小，需要使用高時間分辨率和空間分辨率的實驗技術才能有效地觀察到它們。
總之，儘管直接觀察密度子的運動存在挑戰，但通過設計巧妙的實驗，並結合先進的實驗技術和數據分析方法，我們可以逐步揭示密度子在無序系統原子動力學中的作用，並驗證密度子模型的預測。