[논문 리뷰] Inversion-symmetry breaking controls the boson peak anomaly in glasses and crystals

Rico Milkus, Alessio Zaccone|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 15.

Glass properties and applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 유리 및 결정에서 관찰되는 보존 피크 이질성의 원인이 구조적 무질서 그 자체가 아니라 국소적 역행 대칭성 파괴임을 입증한다. 모델 시스템에 대한 수치 시뮬레이션을 통해, 역행 대칭성에 대한 새로운 국소적 질서 파라미터를 규명하였으며, 이는 보존 피크와 비애프린 기계적 연화 현상 양쪽과 강하게 상관관계를 보여, 비정질 및 결함이 있는 결정성 물질 전반에 걸쳐 통합된 메커니즘을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비정질 고체 및 결함이 있는 결정에서 보존 피크의 미세 구조적 기원을 규명하기.
• 구조적 무질서와 대칭성 파괴 중 어느 것이 보존 피크를 지배하는지 오랫동안 애매하게 여겨진 문제를 해결하기.
• 중심 역행 대칭성 기반의 새로운 국소적 질서 파라미터를 제안하고, 이가 보존 피크를 예측하는 데에 유효한지 검증하기.
• 완벽한 결합 정렬을 가졌지만 역행 대칭성이 파괴된 시스템에서 기존의 결합 정렬 질서 파라미터가 보존 피크와 상관관계를 가지지 못함을 보여주기.

제안 방법

• 조절 가능한 국소적 역행 대칭성을 가진 모델 원자 시스템에 대한 수치 시뮬레이션.
• 각 원자에서 중심 역행 대칭성에서의 편차를 측정하는 새로운 국소적 질서 파라미터 정의.
• 음향 스펙트럼 계산 및 밀도 상태에서 보존 피크 식별.
• 새로운 역행 대칭 질서 파라미터와 보존 피크 강도 및 비애프린 기계적 연화 사이의 상관관계 분석.
• 구조적 무질서가 있는 유리와 결합 정렬 질서는 그대로지만 역행 대칭성이 파괴된 무작위로 잘린 결정에서의 결과 비교.
• 선형 반응 이론과 비애프린 탄성 이론을 활용하여 대칭성 파괴와 기계적 연화의 연결 고리 설정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무질서성과 결함이 있는 결정성 물질에서 보존 피크의 미세 구조적 기원은 무엇인가?
• RQ2 기존의 결합 정렬 질서 파라미터보다 국소적 역행 대칭성 파괴가 보존 피크와 더 강하게 상관관계를 가지는가?
• RQ3 보편적인 대칭성 파괴 원리가 비정질 유리와 결정 모두에서 보존 피크를 설명할 수 있는가?
• RQ4 완벽한 결합 정렬을 가졌지만 구조적 무질서가 없는 무작위로 잘린 결정에서 보존 피크가 여전히 나타나는 이유는 무엇인가?
• RQ5 국소적 역행 대칭성 파괴는 격자 내 비애프린 기계적 연화와 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 보존 피크 강도는 새로운 질서 파라미터로 측정된 국소적 역행 대칭성 파괴와 강한 정적 상관관계를 보인다.
• 재료의 비애프린 기계적 연화 역시 동일한 국소적 역행 대칭 질서 파라미터와 강하게 상관관계를 가진다.
• 완벽한 결합 정렬을 가졌지만 역행 대칭성이 파괴된 결정에서 기존의 결합 정렬 질서 파라미터는 보존 피크를 예측하지 못한다.
• 무작위로 잘린 결정에서 보존 피크가 유지되는 것은 국소적 역행 대칭성 파괴 덕분이며, 이는 결합 정렬 질서가 유지된 상태에서도 가능하다.
• 결과적으로 보존 피크의 기원을 비정질 유리와 결함이 있는 결정 모두에 통합적으로 설명하는 보편적인 메커니즘이 확립된다.
• 이러한 발견들은 역행 대칭성 파괴가 보존 피크 및 관련 기계적 이질성의 핵심 미세 구조적 제어 매개변수임을 시사한다.