[论文解读] 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 1

一句话总结

本文表明，玻璃和晶体中的boson peak异常源于局域反演对称性破缺，而非结构无序本身。通过在模型系统上进行数值模拟，该研究提出了一种新的局域反演对称性序参量，其与boson peak及非协调软化均表现出强烈相关性，为非晶态和缺陷晶体材料中的这一现象提供了统一的机制。

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.

研究动机与目标

• 确定非晶固体和缺陷晶体中boson peak的微观起源。
• 解决长期存在的疑问：即结构无序还是对称性破缺主导了boson peak。
• 提出并验证一种基于中心反演对称性的新型局域序参量，用于预测boson peak。
• 证明在具有完美键取向序但反演对称性被破坏的体系中，标准键取向序参量无法与boson peak相关联。

提出的方法

• 在具有可调局域反演对称性的模型原子系统上进行数值模拟。
• 定义一种新的局域序参量，用于量化每个原子处偏离中心反演对称性的程度。
• 计算声子谱，并从态密度中识别boson peak。
• 分析新反演对称性序参量与boson peak强度及非协调软化之间的相关性。
• 比较在结构无序玻璃与具有完美键取向序但反演对称性被破坏的随机切割晶体中的结果。
• 利用线性响应理论与非协调弹性理论，将对称性破缺与力学软化联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无序和缺陷晶体材料中，boson peak的微观起源是什么？
• RQ2 局域反演对称性破缺与boson peak的相关性是否强于传统的键取向序参量？
• RQ3 是否存在一种普适的对称性破缺原理，可统一解释玻璃和晶体中的boson peak？
• RQ4 为何具有完美键取向序的随机切割晶体仍表现出boson peak，即使缺乏结构无序？
• RQ5 非协调软化与晶格中局域反演对称性破缺之间有何关系？

主要发现

• boson peak强度与由新序参量量化的局域反演对称性破缺之间表现出强烈的正相关性。
• 材料中的非协调软化也与同一局域反演对称性序参量强烈相关。
• 在具有完美键取向序但反演对称性被破坏的晶体中，标准键取向序参量无法预测boson peak。
• 由于局域反演对称性破缺，boson peak在随机切割晶体中依然存在，即使键取向序保持完好。
• 结果建立了一种基于局域晶格对称性破缺的boson peak普适机制，统一了其在玻璃和缺陷晶体中的起源。
• 研究结果表明，反演对称性破缺是boson peak及相关力学异常的关键微观控制参数。