近日，北京师范大学武振伟、北京大学徐莉梅、物理所汪卫华及法国蒙彼利埃大学Walter Kob 等合作发现，玻璃态物质本征振动模式中的拓扑缺陷与其塑性行为密切相关，这表明人们可以从未受扰动的系统的振动模式来直接预测非晶物质的屈服。论文发表于Nature Communications杂志，并被编辑精选亮点评述。
Topology of vibrational modes predicts plastic events in glasses
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38547-w
非晶态物质（又称玻璃）是一类在原子结构上不具备长程有序性的特殊物态，是自然界中广泛存在的一种物质形式，其力学行为像固体，但在表观原子结构层面上看起来更像液体。相较于晶体材料来讲，结构无序的存在使得玻璃材料表现出一些非常特殊甚至极端的物性。尽管人类从5000多年前就开始在日常生活中使用这类无处不在的材料，但作为一种典型无序非平衡体系，玻璃及玻璃转变的本质目前仍是复杂物理系统、凝聚态、和材料科学等诸多领域所共同面临的重大前沿科学问题之一。
尽管玻璃和其他无定形系统在基础科学和应用研究领域都扮演着重要角色，但这些材料的许多特性仍未被充分理解，其中一个尚未解决的重要问题是这些固体在受到张力或剪切力时的屈服行为。由于缺乏晶格周期性，传统晶体中常见的缺陷，例如位错和旋向失配，在玻璃材料实空间中无法明确定义，这导致人们尚未能够满意地从第一性原理的角度描述玻璃的断裂过程。对于局域结构和相互作用如何影响金属或氧化物玻璃的机械性能的基本机制，人们的理解仍远未达到令人满意的程度，尽管这个主题已有相当长的研究历史。
图1 在固体材料中，缺陷是承载形变的单位，是调控材料物性的重要手段，但在玻璃态物质中如何良好定义缺陷，在无序中寻找“无序”，是非常困难且被长期关注的问题（图片源自本工作的新闻评论文章）
图2 振动本征矢量中拓扑缺陷（TD）的结构。带有不同topological charge的拓扑缺陷的组织结构不同，这种差异可从两种不同激发所具有的不同手性特征来加以唯象理解。
古希腊哲学家德谟克利特认为，原子和物质的漩涡是宇宙的两个基本组成部分。今天，从凝聚态物质到粒子物理和宇宙学等领域，涡旋在各个尺度上都能被看到。同样，涡旋也被发现极大地影响了各类材料的物性，包括超导体、铁磁体和液晶等。这也促使了科研人员对物质结构研究观察视角的重大转变：From points in real spaces to vectors in configuration spaces。
北京师范大学武振伟、北京大学徐莉梅、物理所汪卫华及法国蒙彼利埃大学Walter Kob等合作，采用了简正振动模式场中的拓扑特性来预测体系在剪切力作用下所发生的塑性事件的位置。
他们发现，本征振动模式（eigenvectors）中的拓扑缺陷：一种运动矢量空间中良定义（well-defined）的缺陷，确实与玻璃态物质的塑性行为密切相关，这表明人们可以从未受扰动的系统的振动模式来直接预测非晶物质的屈服，系统本征矢量中的这些奇异点是深入了解非晶态物质断裂过程的关键，进一步深入探究将有助于人们在未来获得对这一重要现象的坚实理论描述。
图3 拓扑缺陷（TD）与塑性事件（PE）空间位置上的关联。PE 更倾向于出现在负拓扑核密度更高的区域，从几何角度上讲，这些区域具有更加 negative 的固有空间曲率。
与晶体中的位错非常类似，简正模式本征矢量场中的拓扑缺陷在无序系统的力学过程中起着关键作用。此外，拓扑缺陷具有非局域效应，可以非常自然地与所研究系统的集体行为建立联系。尽管这些缺陷的直接成像具有挑战性，但研究人员猜想，拓扑涡旋可能会在一些实验衍射图像中留下指纹。因此，在未来的实验衍射数据处理中考察涡旋状结构的存在将是非常有价值的尝试，这可能会引发这一领域的进一步研究。并且，该工作也是在如何表征这类材料的方法上迈出的重要一步，这是玻璃物理与材料研究领域第一次以直接的方式将玻璃的物性与拓扑学特征联系起来。因此，基于该研究结果可以设想，通过探测玻璃的拓扑特征，可以进一步了解玻璃的许多其他特性，从而为更加深入地探究这些复杂系统的性质打开大门。
这项工作以“Topology of vibrational modes predicts plastic events in glasses”为题，2023年5月24日在线发表于国际学术期刊Nature Communications，该论文被编辑精选，并配发了新闻亮点评述。
新闻评论: https://www.nature.com/articles/s41467-023-38549-8
北京师范大学系统科学学院、非平衡系统研究所武振伟课题组长期从事复杂物理系统科学研究，在液体及玻璃态物质的结构与性质方面做出了系统性、原创性的工作。课题组主要以计算机模拟结合非平衡统计物理、图论、机器学习等研究方法，探索液体及玻璃态物质等典型无序非平衡体系的结构与结构动力学关联，具体研究内容如：非晶态物质原子结构的描述，过冷液体中的动力学异质性、晶化过程、输运方式等行为，玻璃化转变过程中的结构序参量，以及玻璃态物质中塑性事件及其对应本征缺陷研究。课题组代表性工作为非晶态物质实空间及运动矢量空间中的拓扑结构及其结构物性关系研究。
武振伟课题组长期招收对复杂物理系统、无序非平衡体系研究具有学术热情的博士生、硕士生进组开展工作，欢迎联系。
课题组招生网站：https://sss.bnu.edu.cn/yjszsztw/bssds/wzw/index.htm
代表性工作（无序体系拓扑结构与物性关系研究）：
[1] Wu, Z. W., Chen, Y., Wang, W. H., Kob, W., and Xu, L., Nat. Commun. 14, 2955 (2023).
[2] Wu, Z. W., Kob, W., Wang, W. H., and Xu, L., Nat. Commun. 9, 5334 (2018).
[3] Wu, Z. W., Li, M. Z., Wang, W. H., and Liu, K. X., Nat. Commun. 6, 6035 (2015).
[4] Wu, Z. W., Li, M. Z., Wang, W. H., and Liu, K. X., Phys. Rev. B 88, 054202 (2013).
[5] Wu, Z. W., Li, M. Z., Wang, W. H., Song, W. J., and Liu, K. X., J. Chem. Phys. 138, 074502 (2013).
[6] Wu, Z. W., Li, F. X., Huo, C. W., Li, M. Z., Wang, W. H., and Liu, K. X., Sci. Rep. 6, 35967 (2016).
[7] Wu, Z. W. and Wang, W. H., Acta Phys. Sin. 69, 066101 (2020). (invited review)
[8] Wu, Z. W. and Li, R., Sci. China-Phys. Mech. Astron. 63, 276111 (2020).
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