beat365官方网站量子材料科學中心徐莉梅教授與北京師範大學系統科學學院武振偉副教授、法國蒙彼利埃大學Walter Kob教授和中國科學院物理研究所汪衛華院士等合作，在無序玻璃物質中的拓撲缺陷與材料塑性關聯的研究上取得進展。研究成果以“振動模式的拓撲結構預測玻璃材料塑性事件”（Topology of vibrational modes predicts plastic events in glasses）為題，在2023年5月24日在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications），并被編輯精選亮點評述。

玻璃态材料廣泛存在于自然界中，其結構缺乏長程有序性，但能夠承載形變并表現出獨特的物性，例如在受到拉伸或剪切力時發生屈服。在固體材料中，缺陷是承載形變的基本單位，也是調控材料性質的重要手段。玻璃中存在位錯線并影響其性能的想法已有50多年的曆史，然而，在玻璃态物質中，傳統晶體中常見的位錯和旋向失配等缺陷沒有明确定義【圖1】。因此，在“無序”中如何尋找“無序“、定位缺陷，并将其與材料性能關聯是一項具有挑戰性的任務。

圖1:（a）有序結構中的缺陷， （b）無序中沒有“缺陷”的明确定義（圖片引自本工作的亮點評述文章，Nature Communications2023,14:2956）

拓撲缺陷存在于物理系統中的局部有序性破壞或者非平凡拓撲結構的區域，在凝聚态物理領域已被廣泛應用，定義和量化有序性和無序性，并在拓撲缺陷在不同材料的性質中起到關鍵作用，如電導性、磁性、力學性質等。徐莉梅課題組與合作者在無序玻璃中發現人們一直追尋的結構缺陷隐藏在振動本征模态矢量場的拓撲結構中。他們首次成功地在玻璃的靜态結構中從振動模态矢量場中的拓撲信息中識别出拓撲缺陷，并發現這些拓撲缺陷與玻璃材料的塑性行為密切相關【圖2】。這表明系統本征矢量中的奇異點對于深入理解非晶固體斷裂過程的關鍵，使得從未受擾動的系統的振動模式來直接預測樣品的屈服成為可能。

圖2：振動本征模态矢量場中存在拓撲結構， +1 TD 和 -1 TD（左圖）。這些拓撲缺陷（TD）與塑性事件（PE）在空間位置上密切關聯。

類似于晶體中的位錯，簡正模式本征矢量場中的拓撲缺陷在無序系統（如玻璃等非晶态材料）的力學過程中起着關鍵作用。這些拓撲缺陷具有非局域效應，可以通過與系統的相互作用而呈現出非局域效應的集體行為。盡管直接成像這些拓撲缺陷仍然具有挑戰性，但研究人員猜想，這些拓撲缺陷可能會在一些實驗衍射圖像中留下指紋。因此，通過分析實驗衍射數據，特别是尋找可能存在的渦旋狀結構，将為理解拓撲缺陷在實際系統中的存在和行為提供有價值的線索。該工作在如何表征無序材料的方法上邁出的重要一步，首次以直接的方式将玻璃的物性與拓撲學特征聯系起來，為深入研究和探索玻璃等複雜材料的性質提供了新的方向和可能性。

武振偉和beat365元培學院本科畢業生陳一潇（現普林斯頓大學博士生）分别為文章的第一、第二作者，徐莉梅、武振偉、Walter Kob為文章共同通訊作者。上述工作得到了國家自然科學基金委以及科技部的資助。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38547-w

編輯精選亮點評述鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38549-8