非晶體系的非指數(shù)性弛豫現(xiàn)象的物理本質(zhì)是非晶物理中的重要未解之謎,是理解過冷液體乃至非晶固體宏觀物性的關(guān)鍵。大量的研究表明趨向于玻璃轉(zhuǎn)變的粘性過冷液體的弛豫行為、非晶合金在外場(chǎng)下的弛豫行為等都表現(xiàn)為非指數(shù)的特征,即在受到外界擾動(dòng)時(shí)以非指數(shù)的方式隨時(shí)間趨近于平衡態(tài),可以用擴(kuò)展指數(shù)方程:,其中
。這里
,σ為觀測(cè)的物性,如應(yīng)變變化的瞬時(shí)應(yīng)力、電場(chǎng)下的極化介電參數(shù)等;τ 為特征弛豫時(shí)間;β是非指數(shù)參量,又稱為形狀因子或擴(kuò)展指數(shù),用來表示弛豫時(shí)間分布的寬度。非指數(shù)弛豫是非晶態(tài)物質(zhì)的主要特征之一,對(duì)其微觀起源的研究有助于人們更好地認(rèn)識(shí)和理解非晶。
對(duì)于過冷液體,人們認(rèn)為其非指數(shù)弛豫行為是由于非均勻性特征造成的——即宏觀的非指數(shù)弛豫譜是由不同的局域特征弛豫譜疊加而成(圖1),但關(guān)于擴(kuò)展指數(shù)起源仍然存在明顯爭(zhēng)議,主要有兩種觀點(diǎn):①非均勻起源說——認(rèn)為局域弛豫行為表現(xiàn)為指數(shù)特征,局域(時(shí)間/空間)尺度的非均勻性疊加表現(xiàn)為非指數(shù)特征;②均勻性起源說——認(rèn)為不同特征(時(shí)間/空間)尺度的局域弛豫譜的擴(kuò)展指數(shù)相同。近年來隨著過冷液體的動(dòng)力學(xué)非均勻性被實(shí)驗(yàn)和模擬所證實(shí),大多數(shù)研究者認(rèn)為動(dòng)力學(xué)非均勻性為非均勻起源說提供了證據(jù),非均勻假說給出了擴(kuò)展指數(shù)弛豫起源的正確物理圖像,但直接的證據(jù)依然缺乏;動(dòng)力學(xué)非均勻性描述的不同空間不同時(shí)間下粒子的運(yùn)動(dòng)性(mobility)差異如何影響其宏觀弛豫仍然存在爭(zhēng)議。
圖2:a受限動(dòng)態(tài)力學(xué)分析模擬方法的示意圖;b不同局域尺度對(duì)應(yīng)的非均勻性弛豫譜的標(biāo)度歸一;c統(tǒng)一擴(kuò)展指數(shù)對(duì)不同尺度弛豫譜的普適性描述