對(duì)于自然界極其緩慢的流變現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解始終充滿著奧秘，也具有重要的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。大到地殼板塊的運(yùn)動(dòng)，小到微觀原子排列無序的非晶態(tài)材料，都發(fā)生著緩慢的流動(dòng)，雖然很難被我們感知。通過長(zhǎng)達(dá)億萬年的地質(zhì)緩慢流動(dòng)形成我們賴以生存的穩(wěn)定的地殼環(huán)境。這類極其緩慢的流變直接關(guān)系到重大工程的安全及地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理的認(rèn)識(shí)和防治。非晶態(tài)材料，比如玻璃，通常由液體的快速冷卻形成，其結(jié)構(gòu)類似于液體，保持著長(zhǎng)程無序排列，在常規(guī)的時(shí)間尺度下表現(xiàn)為固體。但是非晶固體內(nèi)部也發(fā)生著緩慢的流變行為。中世紀(jì)教堂的古老窗戶玻璃總是下部比上部厚，就是由玻璃在重力作用下的流動(dòng)導(dǎo)致的。上百年的瀝青滴漏實(shí)驗(yàn)證明，非晶態(tài)瀝青看上去雖是固體，但實(shí)際上是粘性極高的液體，它在室溫環(huán)境下流動(dòng)極為緩慢�！　≡�子（或分子）的運(yùn)動(dòng)行為對(duì)于認(rèn)識(shí)非晶態(tài)物質(zhì)的凝聚狀態(tài)至關(guān)重要，也是指導(dǎo)如何改善非晶材料性能，特別是力學(xué)性能的基礎(chǔ)。在過冷液體中，很短時(shí)間內(nèi)的局域原子重排（β 馳豫）與更緩慢的原子集團(tuán)運(yùn)動(dòng)（α 馳豫）之間隨著溫度的降低發(fā)生脫耦，這種馳豫模式的脫耦的發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解過冷液體，以及隨后的玻璃化轉(zhuǎn)變和形成的玻璃材料的形變行為至關(guān)重要。而在玻璃態(tài)，馳豫極為緩慢（時(shí)間尺度從小時(shí)到年的量級(jí)），這樣大的時(shí)間尺度，在實(shí)驗(yàn)室里研究起來也非常困難。 `}l%61n0  
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　　最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）汪衛(wèi)華研究組博士生羅鵬在研究員汪衛(wèi)華、副研究員聞平和研究員白海洋的指導(dǎo)下，以非晶合金（又稱金屬玻璃）為模型體系，在非常寬的溫度和時(shí)間尺度范圍，通過測(cè)量在恒定應(yīng)變下材料的實(shí)時(shí)力學(xué)響應(yīng)，來有效探測(cè)其緩慢的流動(dòng)行為。實(shí)驗(yàn)表明，在較高溫度下，應(yīng)力響應(yīng)函數(shù)單調(diào)平滑地衰減。但是隨著溫度降低，在實(shí)驗(yàn)開始30分鐘左右，逐漸出現(xiàn)一個(gè)肩膀，而且隨著溫度進(jìn)一步降低變得越來越明顯，表現(xiàn)出兩階段馳豫行為（圖1）。通過疊加的擴(kuò)展指數(shù)函數(shù)對(duì)馳豫行為進(jìn)行擬合得到特征速率和指數(shù)（圖2），可以看到，在低于玻璃轉(zhuǎn)變溫度的某處，發(fā)生明顯的馳豫模式脫耦，較快的模式表現(xiàn)出很弱的溫度依賴，激活能只有不到0.1 eV，而且馳豫指數(shù)隨著溫度降低逐漸增加并最終穩(wěn)定在1.3~1.5。慢馳豫模式強(qiáng)烈依賴于溫度，激活能約為52 kBTg，馳豫指數(shù)隨著溫度降低逐漸降低。隨著樣品退火老化，馳豫函數(shù)明顯變化，慢馳豫模式特征速率隨著樣品老化顯著降低，而快馳豫模式不受老化影響（圖3a）。馳豫過程的特征參數(shù)不依賴于施加的應(yīng)變，即使超過屈服點(diǎn)（圖3b）也如此。 S F*C'  

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　玻璃材料處于無序和非平衡狀態(tài)，必然存在原子尺度的內(nèi)應(yīng)力。以上結(jié)果表明，玻璃態(tài)的馳豫過程分為兩步：首先發(fā)生快馳豫模式，對(duì)應(yīng)于原子尺度內(nèi)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的類彈道運(yùn)動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)被限制在勢(shì)能阱中；隨后體系越過能量勢(shì)壘，發(fā)生更大尺度下動(dòng)力學(xué)不均勻的原子重排。這一新的動(dòng)力學(xué)模式脫耦的發(fā)現(xiàn)，拓展了人們對(duì)玻璃馳豫的傳統(tǒng)認(rèn)知，進(jìn)一步完善了從動(dòng)力學(xué)角度對(duì)液體到玻璃態(tài)的凝聚過程的理解（如圖4）：高溫液體的流動(dòng)經(jīng)歷兩個(gè)過程，即原子（或分子）在由其相鄰原子（或分子）構(gòu)成的籠子中振動(dòng)以及隨后逃離發(fā)生長(zhǎng)程擴(kuò)散；過冷液體出現(xiàn)新的馳豫模式脫耦，即次級(jí)勢(shì)能阱之間可逆的局域重排事件（β 馳豫）和越過勢(shì)能阱發(fā)生的不可逆原子集團(tuán)運(yùn)動(dòng)（α 馳豫）；玻璃態(tài)馳豫極為緩慢，這恰恰使得局部?jī)?nèi)應(yīng)力釋放導(dǎo)致的類彈道運(yùn)動(dòng)與隨后緩慢的原子重排不再耦合，從而觀察到脫耦的動(dòng)力學(xué)模式。 E5n7 <
 
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　　該結(jié)果表明，緩慢流動(dòng)也并不簡(jiǎn)單，存在著遠(yuǎn)比我們想象豐富的內(nèi)稟特性，只不過這些現(xiàn)象被其長(zhǎng)時(shí)間尺度所隱藏而難以發(fā)現(xiàn)。 ;rT'~?q  
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　　這項(xiàng)研究結(jié)果最近發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters 118, 225901 (2017)）上，并被選為編輯推薦文章。美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics網(wǎng)站上發(fā)表了意大利比薩大學(xué)教授Simone Capaccioli和羅馬大學(xué)教授Giancarlo Ruocco寫的一篇題為Relaxation is a Two-Step Process for Metallic Glasses 的點(diǎn)評(píng)（Viewpoint）文章，對(duì)這項(xiàng)工作做了詳細(xì)的介紹和評(píng)論[30 May 2017 Physics 10, 58 https://physics.aps.org/articles/v10/58]，他們認(rèn)為這種兩步馳豫現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了非晶馳豫和老化之間關(guān)系這一凝聚態(tài)物理難題的解決，不但能幫助人們更加全面地理解知之甚少的非平衡玻璃態(tài)動(dòng)力學(xué)問題，而且有助于設(shè)計(jì)具有豐富功能特性和高穩(wěn)定性的玻璃材料。 a+cMXMf  
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　　上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51571209，51461165101）、“973”項(xiàng)目（2015CB856800）和中科院前沿科學(xué)關(guān)鍵研究項(xiàng)目（QYZDY-SSW-JSC017）的支持。 5lG\Z?  
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