近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授徐寧研究組通過長(zhǎng)期的嘗試和大量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，在Jammed固體屈服應(yīng)力的計(jì)算和點(diǎn)J的臨界性的研究中取得新進(jìn)展。該研究的論文發(fā)表于4月11日的《物理評(píng)論快報(bào)》，并被選為編輯推薦的論文。
具有純排斥相互作用的膠體、顆粒物質(zhì)、泡沫等軟物質(zhì)體系在堆積密度增大時(shí)會(huì)由無剛性的Unjammed體系轉(zhuǎn)變?yōu)橛袆傂缘腏ammed非晶固體，零溫狀態(tài)下該Jamming轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)的密度軸上的點(diǎn)被稱為點(diǎn)J。點(diǎn)J處的Jamming轉(zhuǎn)變呈現(xiàn)出新奇有趣的相變行為，同時(shí)具有連續(xù)和非連續(xù)相變的混合特性，因此不能簡(jiǎn)單歸屬于已知的相變類型。點(diǎn)J的臨界性在過去十年中得到了廣泛的關(guān)注，人們從不同的角度探討了該臨界性，然而，和通常的臨界現(xiàn)象不同的是至今沒有直接觀測(cè)到發(fā)散的靜態(tài)關(guān)聯(lián)尺度。作為研究非晶液-固轉(zhuǎn)變最簡(jiǎn)單的模型，點(diǎn)J處的Jamming轉(zhuǎn)變已經(jīng)成為軟凝聚態(tài)物理的研究熱點(diǎn)，并被許多研究領(lǐng)域借用來理解非晶固體的形成。
Jammed固體在外加剪切應(yīng)力超出其屈服應(yīng)力時(shí)也會(huì)發(fā)生Unjamming轉(zhuǎn)變而形成剪切流，如何確定屈服應(yīng)力是非晶固體材料特性研究的一個(gè)焦點(diǎn)。從勢(shì)能圖景（Potential Energy Landscape）的角度看，固體的屈服應(yīng)力應(yīng)該是固體能穩(wěn)定存在的最大應(yīng)力，數(shù)值上應(yīng)該能夠通過尋找恒定剪切應(yīng)力下勢(shì)能圖景中的穩(wěn)定固態(tài)來測(cè)量。然而，快速尋找恒定剪切應(yīng)力下穩(wěn)定固態(tài)的數(shù)值方法依然缺乏。
該研究組的博士生劉浩、本科生謝曉宜和徐寧教授提出了一個(gè)類熱力學(xué)函數(shù)焓的能量函數(shù)，可以通過最小化該函數(shù)來快速得到給定剪切應(yīng)力作用下的固體。通過大量的統(tǒng)計(jì)，他們確定出了在恒定剪切應(yīng)力下尋找到Jammed固體的幾率，并由此幾率隨剪切應(yīng)力的變化給出了Jammed固體的平均屈服應(yīng)力和其不確定度。由此方法確定出的Jammed固體屈服應(yīng)力隨體積分?jǐn)?shù)的變化呈現(xiàn)出有限尺度效應(yīng)，并滿足有限尺度標(biāo)度。該有限尺度標(biāo)度表明在點(diǎn)J處屈服應(yīng)力為零并存在發(fā)散的關(guān)聯(lián)尺度，從而提供了點(diǎn)J臨界性的又一有力證據(jù)。有趣的是，該關(guān)聯(lián)尺度的標(biāo)度指數(shù)并不僅僅適用于屈服應(yīng)力。其它一系列在Jamming轉(zhuǎn)變中呈現(xiàn)出臨界標(biāo)度的物理量都滿足有限尺度標(biāo)度，并且都有同樣的關(guān)聯(lián)尺度標(biāo)度指數(shù)。因此，該研究中發(fā)現(xiàn)的關(guān)聯(lián)尺度應(yīng)該具有魯棒性。此外，通過比較準(zhǔn)靜態(tài)剪切和文章所述新方法獲得的剪切應(yīng)力作用下的Jammed固體的性質(zhì)，他們發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)剪切傾向于尋找勢(shì)能低的固體態(tài)，這為獲得超穩(wěn)玻璃提供了一條簡(jiǎn)單可行的途徑。
審稿人評(píng)論說：“這是一項(xiàng)極度有抱負(fù)的工作。 吸引人的是，作者看來發(fā)現(xiàn)了一個(gè)真正可以象平衡體系中的熱力學(xué)函數(shù)一樣描述非平衡體系的函數(shù)。這是一個(gè)很重要的結(jié)果，將會(huì)極大地推進(jìn)Jamming及非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理的研究。該方法很新，而且可能會(huì)開啟剪切作用下的Jamming轉(zhuǎn)變研究的新途徑。”
這項(xiàng)研究得到了基金委、科技部、中科院和教育部的支持。
中國(guó)科大軟物質(zhì)體系的Jamming研究獲進(jìn)展
