冯岩教授课题组利用尘埃等离子体系统研究固体位错内耗微观物理机制取得突破

近日,皇冠官方指定入口冯岩教授团队在尘埃等离子体物理研究中取得重要进展,率先提出利用尘埃等离子体系统研究固体位错内耗微观物理机制,发现尘埃等离子体位错内耗的线性滞弹性行为,并得到系统内耗随位错滑移运动方向的变化规律。进一步地,研究团队基于单颗粒层面的力学参量分析,提出了位错内耗产生的微观机理,即位错滑移运动形成的剪切带导致了系统能量损耗。该项研究工作为固体内耗的微观理论研究提供了重要思路。相关研究成果以“Anelastic internal friction of dislocations in two-dimensional Yukawa solids”为题发表在《Physical Review Research》上。

固体内耗一般指固体振动过程中由于内部因素所引起的能量损耗,这些因素通常与固体内部结构缺陷的动态驰豫过程相关。滞弹性与纯弹性的区别在于,应力与应变的响应不是瞬时的,而是需要通过某种驰豫过程才能完成。在周期性载荷下,应力应变曲线表现为滞后回线。现实中大量的内耗现象,实际上都是材料滞弹性的表现。由于内耗对固体结构特点、结构缺陷及其运动变化十分敏感,内耗测量可有效用于诊断材料内部微观结构。因此,揭示内耗现象的微观机制,是深刻理解内耗相关物理,并应用内耗来解决固体基础物理问题所必需的。

尘埃等离子体,也称复杂等离子体,指由自由电子、离子、中性气体原子和带电尘埃颗粒组成的复杂系统。地面实验条件下,大量带电尘埃颗粒可自组织形成强耦合二维固体晶格,由于其绝佳的尘埃颗粒运动时空尺度,可通过顶视高速相机精确记录每个颗粒的运动轨迹,由此实现单颗粒动理学层面的实验诊断。基于此,该工作提出利用尘埃等离子体系统,从单“原子”层面对位错内耗的动力学过程进行深入研究。

本文通过计算机模拟,系统地研究了二维尘埃等离子体固体位错内耗的微观物理机制。在周期性剪切形变过程中,通过计算位错沿不同晶格取向运动时的应力应变响应关系,发现损耗因子随位错滑移方向与剪切方向间夹角的变化规律,如下图所示。当错滑移方向与剪切方向的夹角从0逐步增大至π/2时,损耗因子先减小后增大,近似对称分布,尤其是夹角为π/4时,对应的损耗因子为零,即没有内耗产生。这一结果充分表明,位错内耗明显依赖于系统的晶格取向。

基于单颗粒相关力学参量的分析,研究团队提出了位错内耗的微观机制。通过量化系统的局部非仿射形变,发现位错运动轨迹与发生局部剪切形变的区域完全重叠。当内耗不为零时,位错发生了长距离滑移,形成了明显的剪切带;而内耗为零时,位错被限制在局部区域内,如下图所示。这一结果表明,剪切带的形成过程中发生了能量耗散,由此产生内耗。

进一步研究发现,表征二维尘埃等离子体固体的位错内耗大小的系统损耗因子基本不随剪切应变振幅变化,但损耗因子随剪切频率的变化关系呈现出显著的单峰结构,如下图所示。这一结果完全符合线性滞弹性内耗的特征,充分证明尘埃等离子体固体中位错内耗是由滞弹性驰豫所引起的。

该工作利用尘埃等离子体系统的单颗粒诊断优势,揭示了位错内耗的微观机制,充分证明基于离散系统研究固体内耗微观机理的可行性、实用性、优越性,为研究固体的宏观性能与其微观状态的关系提供了新的思路。

皇冠官方指定入口博士后卢少瑜是该论文的第一作者,冯岩教授是该论文的通讯作者。该研究获得国家自然科学基金委的资助,同时得到皇冠官方指定入口的支持。


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URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevResearch.5.043116

DOI: 10.1103/PhysRevResearch.5.043116


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