[論文レビュー] Liquid-liquid transition revealed by quasi-static cooling of an ultra-viscous metallic liquid

Simon Hechler, Beatrice Ruta+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2017

Material Dynamics and Properties参考文献 62被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、準静的冷却を用いて急速なガラス転移を抑制することで、超高粘度の過冷結晶金属ガラス形成体Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3における液体-液体遷移を明らかにした。X線フォトン相関スペクトロスコピーと高エネルギーX線回折を組み合わせることで、明確で強く相関した液体相に関連する中距離秩序が特定された。

ABSTRACT

Temperature-driven polyamorphism has been reported in various supercooled liquids and glasses. The dynamical and structural routes followed by the system during such crossovers are however not universal and appear to be related to intrinsic kinetic properties of the liquid. By combining x-ray photon correlation spectroscopy and high energy x-ray diffraction, we have followed the collective atomic motion and structural changes during quasi-static cooling of the Au49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3 metallic glass-former. Due to this ultra-slow thermal protocol, the glass transition temperature is lowered far enough to reveal a liquid-liquid crossover in the ultra-viscous supercooled phase. This transition is usually hidden by vitrification and leads to a strong liquid characterized by increasing correlation at the medium range.

研究の動機と目的

• ガラス転移が遷移を隠蔽しない条件下で、金属ガラス形成液体に液体-液体遷移が存在するかを調査すること。
• 通常は過冷液体における多相的遷移の観察を妨げる運動論的制限を克服すること。
• 超遅い冷却における液体の構造的・動的進化を特徴づけ、中距離秩序相の兆候を特定すること。
• 遷移が超高粘度領域における動的非一様性および構造的相関の増加に関連しているかどうかを特定すること。

提案手法

• ガラス転移を遅らせるために、熱履歴を著しく遅くする準静的冷却プロトコルを採用し、液体-液体遷移の観察を可能にした。
• 集団的原子運動を調べ、過冷液体における動的相関長を測定するためにX線フォトン相関スペクトロスコピー（XPCS）を用いた。
• 特に中距離秩序（MRO）パラメータを抽出するために、高エネルギーX線回折（HEXRD）を適用した。
• XPCSとHEXRDのデータを統合し、冷却過程における構造的変化と動的挙動の相関を分析した。
• 中間散乱関数および構造因子の進化を分析し、新しい液体相の出現を検出した。
• 動的相関長の温度依存性を用いて、遷移を示す臨界温度を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 急速なガラス転移が抑制される超遅い冷却条件下で、金属ガラス形成体に液体-液体遷移が観察可能か？
• RQ2 超高粘度の過冷液体における液体-液体遷移に伴って、どのような構造的・動的兆候が現れるか？
• RQ3 中距離秩序は遷移中にどのように進化し、動的非一様性と相関しているか？
• RQ4 XPCSによって明らかにされた原子運動の動的変化が、遷移と関連しているか？
• RQ5 ガラス転移の前段階で、より秩序的で強く相関した液体状態への転移が観察されるか？

主な発見

• 準静的冷却条件下で、超高粘度の過冷液体であるAu49Cu26.9Si16.3Ag5.5Pd2.3に液体-液体遷移が観察された。
• 高エネルギーX線回折パターンの変化によって、中距離秩序が著しく増加していることが裏付けられた。
• XPCS測定により、同じ温度で動的クロスオーバーが観察され、動的非一様性の増大および動的相関長の増大が示された。
• 遷移の開始温度はガラス転移温度よりも著しく低く、超遅い冷却条件下で運動論的に到達可能であることが確認された。
• 遷移は、強化された構造的および動的相関を示す強く相関した液体相の出現に関連していた。
• XPCSとHEXRDの統合的データにより、従来の急速なガラス転移によって隠れていた金属ガラス形成体における多相的遷移の直接的証明が得られた。