【国家基金委基金要闻】我国学者发现熵在非晶材料记忆效应中的关键作用
日期:2020-10-22, 查看:284

       在国家自然科学基金项目(批准号:51922102、51827801、51771216、51701230)等资助下,中国科学院宁波材料技术与工程研究所中科院磁性材料与器件重点实验室王军强研究员团队以Au基非晶合金为模型,发现弛豫激活熵在非晶合金的记忆效应中具有重要作用。研究成果以“激活熵是控制玻璃态材料记忆效应的关键因素(Activation Entropy as a Key Factor Controlling the Memory Effect in Glasses)”为题,于2020年9月21日在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上在线发表。论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.135501。

       诺贝尔奖获得者P. W. 安德森(P.W. Anderson)在本世纪125个重要科学问题中曾指出,玻璃的本质和玻璃转变是凝聚态物理最深奥和有趣的问题。“老化”(ageing)是非晶/玻璃等非平衡态材料在能量驱动下的本征演化规律。高温退火可以加速非晶老化的速度,直到降低到平衡态。在工业上,适当老化被广泛应用于提高非晶合金的软磁特性或提高光学玻璃的均匀性等。然而,1963年美国威斯康星麦迪逊大学的A. J. 科瓦克斯(A.J. Kovacs)教授却发现,非晶态材料如果经过先低温再高温两步退火过程,它的体积或焓不会单调“老化”,而是会先升高,之后再降低。这种反常的焓升高引起的“年轻化”(rejuvenation)现象被称为Kovacs记忆效应(memory effect)。记忆效应广泛存在于金属玻璃、高分子玻璃、氧化物玻璃、自旋玻璃、电子玻璃等各种玻璃态材料中,形状记忆合金、褶皱纸团、摩擦表面、复杂机械系统也都存在记忆效应。记忆效应与热力学非平衡状态密切相关,一旦材料或体系达到热平衡态,初态和历史的记忆将被彻底遗忘。然而,半个世纪以来,人们对记忆效应的理解仍然局限于唯象层面,对记忆效应的物理起源仍然不清楚。

       该团队使用高精度闪速差示扫描量热仪研究了双步退火温度和时间对非晶合金记忆效应及焓弛豫行为的影响,并基于绝对速率理论计算得到了激活焓和激活熵在弛豫过程的演化。发现当非晶合金焓进入深度弛豫阶段时(heavily-aged),记忆效应才会出现——这就像是一个人年老后会经常回忆年轻时候的事情。而且,激活熵在记忆效应中具有重要作用:从低温跳向高温时,只有当高温退火阶段的激活熵比较大,才会出现记忆效应;若激活熵小,则无法探测到记忆效应。大的激活熵意味着的材料在弛豫过程中存在更多的演化路径——就像是一个人突然面对太多复杂的选择,会变得退缩。虽然这些结果是基于非晶合金这样的热激活无序体系发现的,但由于熵的概念适用于所有无序复杂系统,因此相关结论对理解非热激活体系中的记忆效应也有帮助。

       该研究结果可能从根本上挑战非平衡态能量地形图理论,对理解玻璃态转变的本质具有重要意义。

       (原文发布于2020年10月20日国家自然科学基金【基金要闻】)

       原文链接:http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab448/info79142.htm