徐莉梅课题组与合作者在拓扑缺陷与材料塑性关联研究取得进展
北京大学物理学院量子材料科学中心徐莉梅教授与北京师范大学系统科学学院武振伟副教授、法国蒙彼利埃大学Walter Kob教授和中国科学院物理研究所汪卫华院士等合作，在无序玻璃物质中的拓扑缺陷与材料塑性关联的研究上取得进展。研究成果以“振动模式的拓扑结构预测玻璃材料塑性事件” （Topology of vibrational modes predicts plastic events in glasses）为题，在2023年5月24日在线发表于《自然通讯》（Nature Communications），并被编辑精选亮点评述。
玻璃态材料广泛存在于自然界中，其结构缺乏长程有序性，但能够承载形变并表现出独特的物性，例如在受到拉伸或剪切力时发生屈服。在固体材料中，缺陷是承载形变的基本单位，也是调控材料性质的重要手段。玻璃中存在位错线并影响其性能的想法已有50多年的历史，然而，在玻璃态物质中，传统晶体中常见的位错和旋向失配等缺陷没有明确定义【图1】。因此，在“无序”中如何寻找“无序“、定位缺陷，并将其与材料性能关联是一项具有挑战性的任务。
图1:（a）有序结构中的缺陷， （b）无序中没有“缺陷”的明确定义
（图片引自本工作的亮点评述文章，Nature Communications 2023,14:2956）
拓扑缺陷存在于物理系统中的局部有序性破坏或者非平凡拓扑结构的区域，在凝聚态物理领域已被广泛应用，定义和量化有序性和无序性，并在拓扑缺陷在不同材料的性质中起到关键作用，如电导性、磁性、力学性质等。徐莉梅课题组与合作者在无序玻璃中发现人们一直追寻的结构缺陷隐藏在振动本征模态矢量场的拓扑结构中。他们首次成功地在玻璃的静态结构中从振动模态矢量场中的拓扑信息中识别出拓扑缺陷，并发现这些拓扑缺陷与玻璃材料的塑性行为密切相关【图2】。这表明系统本征矢量中的奇异点对于深入理解非晶固体断裂过程的关键，使得从未受扰动的系统的振动模式来直接预测样品的屈服成为可能。
图2： 振动本征模态矢量场中存在拓扑结构， +1 TD 和 -1 TD（左图）。这些拓扑缺陷（TD）与塑性事件（PE）在空间位置上密切关联
类似于晶体中的位错，简正模式本征矢量场中的拓扑缺陷在无序系统（如玻璃等非晶态材料）的力学过程中起着关键作用。这些拓扑缺陷具有非局域效应，可以通过与系统的相互作用而呈现出非局域效应的集体行为。尽管直接成像这些拓扑缺陷仍然具有挑战性，但研究人员猜想，这些拓扑缺陷可能会在一些实验衍射图像中留下指纹。因此，通过分析实验衍射数据，特别是寻找可能存在的涡旋状结构，将为理解拓扑缺陷在实际系统中的存在和行为提供有价值的线索。该工作在如何表征无序材料的方法上迈出的重要一步，首次以直接的方式将玻璃的物性与拓扑学特征联系起来，为深入研究和探索玻璃等复杂材料的性质提供了新的方向和可能性。
武振伟和北京大学元培学院本科毕业生陈一潇（现普林斯顿大学博士生）分别为文章的第一、第二作者，徐莉梅、武振伟、Walter Kob为文章共同通讯作者。上述工作得到了国家自然科学基金委以及科技部的资助。