[論文レビュー] Inversion-symmetry breaking controls the boson peak anomaly in glasses and crystals

Rico Milkus, Alessio Zaccone|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2016

Glass properties and applications被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、ガラスおよび結晶におけるボソンピーク異常は、構造的無秩序そのものではなく、局所的逆 symmetryの破壊に起因することを示している。モデル系を用いた数値シミュレーションにより、逆対称性の新たな局所的秩序パラメータが、ボソンピークおよび非アフィン的軟化の両者と強く相関することを特定し、アモルファスおよび欠陒のある結晶的物質の間で統一的なメカニズムを提供する。

ABSTRACT

It is well known that amorphous solids display a phonon spectrum where the Debye $\sim \omega^2$ law at low frequency melds into an anomalous excess-mode peak (the boson peak) before entering a quasi-localized regime at higher frequencies dominated by scattering. The microscopic origin of the boson peak has remained elusive despite various attempts to put it in a clear connection with structural disorder at the atomic/molecular level. Using numerical calculations on model systems, we show that the microscopic origin of the boson peak is directly controlled by the local breaking of center-inversion symmetry. In particular, we find that both the boson peak and the nonaffine softening of the material display a strong positive correlation with a new order parameter describing the local inversion symmetry of the lattice. The standard bond-orientational order parameter, instead, is shown to be a poor correlator and cannot explain the boson peak in randomly-cut crystals with perfect bond-orientational order. Our results bring a unifying understanding of the boson peak anomaly for model glasses and defective crystals in terms of a universal local symmetry-breaking principle of the lattice.

研究の動機と目的

• アモルファス固体および欠陒のある結晶におけるボソンピークの微視的起源を特定すること。
• 構造的無秩序と対称性の破壊のどちらがボソンピークを支配するかという長年の曖昧さを解消すること。
• 中心反転対称性に基づく新たな局所的秩序パラメータを導入し、ボソンピークの予測を検証すること。
• 完全な結合指向秩序を持つが逆対称性が破壊された系において、標準的な結合指向秩序パラメータがボソンピークと相関しないことの実証。

提案手法

• 局所的逆対称性を調整可能なモデル原子系を用いた数値的シミュレーション。
• 各原子における中心反転対称性からの逸脱を定量化する新たな局所的秩序パラメータの定義。
• フォノンスペクトルの計算および状態密度からボソンピークの同定。
• 新しい逆対称性秩序パラメータとボソンピーク強度および非アフィン的軟化との相関解析。
• 構造的無秩序なガラスと、完全な結合指向秩序を持つが逆対称性が破壊されたランダムに切断された結晶との結果の比較。
• 線形応答および非アフィン的弾性理論を用いて、対称性の破壊と機械的軟化の関連を結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不規則および欠陒のある結晶的物質におけるボソンピークの微視的起源は何か？
• RQ2 伝統的な結合指向秩序パラメータと比較して、局所的逆対称性の破壊はボソンピークとより強く相関するか？
• RQ3 普遍的な対称性の破壊原理が、ガラスおよび結晶の両方におけるボソンピークを説明できるか？
• RQ4 完全な結合指向秩序を持つが構造的無秩序を欠くランダムに切断された結晶が、なぜボソンピークを示すのか？
• RQ5 非アフィン的軟化は、格子内の局所的逆対称性の破壊とどのように関連するか？

主な発見

• ボソンピーク強度は、新しい秩序パラメータで定量化された局所的逆対称性の破壊と強く正の相関を示す。
• 材料内の非アフィン的軟化も、同様に局所的逆対称性秩序パラメータと強く相関する。
• 完全な結合指向秩序を持つが逆対称性が破壊された結晶において、標準的な結合指向秩序パラメータはボソンピークを予測できない。
• ランダムに切断された結晶では、結合指向秩序が保持されていても、局所的逆対称性の破壊によりボソンピークが持続する。
• 結果として、アモルファスおよび欠陒のある結晶の両方におけるボソンピークの起源を統一的に説明する普遍的なメカニズムが確立された。
• これらの発見は、逆対称性の破壊がボソンピークおよび関連する機械的異常を制御する主要な微視的パラメータである可能性を示唆する。