液体及玻璃态物质中的拓扑序和结构动力学研究

Supercooled liquid transforms to non-equilibrium glass accompanying by drastically slowing down of dynamics but no obvious change in structures, which makes the description of structure-dynamics relationships in supercooled liquids and glasses one of the most challenging problems in condensed matter physics. Nowadays, it has been realized that the crucial importance of the medium-range atomic structures in understanding the amorphous matter properties. This project will aim to propose new topological order parameter that includes medium-range atomic characters and based on that to establish new structure-property relationships in supercooled liquids and glasses. The predictable outcome of this project will shed new light on understanding of relaxation dynamics, transport properties of atoms, structural phase transition, and microscopic irreversible processes in amorphous matter, and then promote our understanding of the nature of glass and glass transition.

玻璃及玻璃转变的本质是固态物理中面临的最深刻、 最有趣、也是最困难的科学问题之一，理解玻璃转变过程势必要对过冷液体的结构及结构-动力学关系有深刻了解。随着人们对非晶态物质的物性研究的加深，人们逐渐意识到非晶态物质中原子中程结构对系统性质的重要影响，建立以中程序为基础的结构-动力学关系对于理解玻璃的本质和玻璃转变过程有着至关重要的作用。本立项将从定义新的具有拓扑属性的序参量出发，进一步深入探究过冷液体及玻璃态物质中的结构-动力学关系。这种新的拓扑序参量包含一定的原子中程结构上的信息，且具有更广义的几何不变性。可预见的研究结果将在一定程度上丰富我们对过冷液体及玻璃态物质中某些独特的动力学行为，输运机制，结构相变过程，和微观形变机制等方面的认知，进而对认识玻璃及玻璃转变的本质起到积极的推动作用。

玻璃及玻璃转变的本质是固态物理中面临的最深刻、最有趣、也是最困难的科学问题之一，理解玻璃转变过程势必要对过冷液体的结构及其构效关系有深刻了解。随着人们对非晶态物质的物性研究的加深，人们逐渐意识到非晶态物质中原子中程结构对系统性质的重要影响，建立以中程序为基础的结构动力学关系对于理解玻璃的本质和玻璃转变过程有着至关重要的作用。. 本项目利用分子动力学模拟结合统计物理、图论、机器学习等研究方法，针对过冷液体及玻璃态等典型无序非平衡体系，重点开展了非晶态物质构型空间及动力学空间拓扑结构及其构效关系的研究。取得如下成果：. 1）深过冷液体中某些原子存在反常输运行为，并且具有一定的原子结构基础，这类原子结构基础可影响系统跨大时间尺度的动力学弛豫行为；. 2）基于图论所提出的原子连接度这一超越原子短程结构信息的拓扑序参量可与非晶态物质中原子的短时或长时动力学行为、输运方式、以及振动模态等一系列物理性质建立联系,局域连接度概念的引入可起到简化原子结构描述参量的作用。. 3）金属过冷液体中Stokes-Einstein关系的失效有其原子结构变化上的基础，机器学习方法可把这种变化从类固/液原子结构差异化上直接习得；. 4）非晶本征振动模式中的拓扑缺陷存在结构，并且这种结构可在一定程度上预测系统在力学加载下塑性事件出现的位置。. 本项目研究成果在一定程度上丰富了我们对过冷液体及玻璃态物质中某些独特动力学行为、反常输运机制、中程原子结构表征、和本征缺陷等方面的认知，进而对人们认识玻璃及玻璃转变的本质起到一定的积极促进作用。

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