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研究表明材料缺陷如何影响熔化过程

2020-06-29 16:45:13 来源:网络 阅读:
  1972年,物理学家J.MichaelKosterlitz和DavidThouless发表了关于二维材料中相变是如何发生的开创性理论。快速实验表明,该理论正确地捕捉了氦膜从超流体到正常流体的转换过程,从而有助于开创超薄材料研究的新时代,更不用说赢得布朗大学教授科斯特里茨和2016年诺贝尔物理学奖了。
  然而,Kosterlitz-Thouless(KT)理论的设计不仅仅是为了解释超流体的转变。他们也希望它能解释二维固体是如何溶入液体的,但到目前为止,实验还没有清楚地证实这一理论。现在,布朗物理学家的另一组新研究可以帮助解释理论和实验之间的不匹配。
  这项发表在"美国国家科学院院刊"上的研究表明,杂质(物质晶体结构中的"额外"原子)是如何扰乱系统的秩序,并导致在KT理论预期之前就开始熔化的。研究人员说,这些发现是朝着更完整的物理熔化理论迈出的一步。
  布朗的物理学教授、"自然"杂志的资深作者凌新生说:"固液转变是我们都熟悉的东西,但这是现代物理学的一大失败,我们仍然不知道它是如何发生的。"新论文。"我们已经证明,杂质(不包括在KT理论中,但通常存在于实际材料中)在熔融过程中起着重要作用。
  尽管细节仍然是一个主要的谜团,但科学家们对固体是如何融化的有了基本的了解。随着温度的升高,固体晶格中的原子开始旋转。如果摆动变得过于剧烈,无法将晶格粘合在一起,固体就会融化成液体。但还不清楚熔化过程何时开始,以及为什么在固体中的某些位置而不是在其他位置开始融化。
  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粒子。带电粒子之间的电动势使它们以类似固体材料中晶体排列的方式排列成晶体晶格。利用激光束移动单个粒子,研究人员可以看到晶格缺陷如何影响晶格的有序性。
  缺陷通常有两种形式:空位(缺粒子)和空隙(GAP),其中粒子的数量超过应有的数量。这项新的研究特别关注插入式广告的效果,这在以前的研究中还没有被研究过。
  研究发现,虽然给定区域中的一个空隙对晶格的行为影响不大,但两者之间有很大的差异。
  我们发现两个间隙缺陷破坏了结构的对称性,而单个缺陷没有破坏,"林说。在KT预测之前,这种对称性失效导致局部熔化。
  这是因为KT理论处理的是由热涨落引起的缺陷,而不是晶格中可能已经存在的缺陷。
  凌说:"真正的物质是凌乱的。总会有杂质。"简单地说,系统无法分辨哪些杂质是杂质,哪些是热搅拌造成的缺陷,这可能导致熔化,这是不可预测的。
  研究人员说,这项研究中使用的技术在其他地方可能有用。例如,它有助于研究硬质玻璃向粘稠液体的转变,这与固液转变有关,但也缺乏完整的解释。
  我们认为我们偶然发现了一种新的方法来揭示物质物理学中的对称失效机制,"林说。"除了发现之外,这种方法本身可能是本文中最重要的东西。